Glia have been implicated in Alzheimer’s disease (AD) pathogenesis. Variants of the microglia receptor triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) increase AD risk, and activation of disease-associated microglia (DAM) is dependent on TREM2 in mouse models of AD. We surveyed gene-expression changes associated with AD pathology and TREM2 in 5XFAD mice and in human AD by single-nucleus RNA sequencing. We confirmed the presence of Trem2-dependent DAM and identified a previously undiscovered Serpina3n+C4b+ reactive oligodendrocyte population in mice. Interestingly, remarkably different glial phenotypes were evident in human AD. Microglia signature was reminiscent of IRF8-driven reactive microglia in peripheral-nerve injury. Oligodendrocyte signatures suggested impaired axonal myelination and metabolic adaptation to neuronal degeneration. Astrocyte profiles indicated weakened metabolic coordination with neurons. Notably, the reactive phenotype of microglia was less evident in TREM2-R47H and TREM2-R62H carriers than in non-carriers, demonstrating a TREM2 requirement in both mouse and human AD, despite the marked species-specific differences. Single-nucleus RNA sequencing in a mouse model of Aβ accumulation and postmortem brain tissue from people with Alzheimer’s disease reveals substantial species-specific differences in transcriptional signatures, but both point to the contribution of glia and the importance of TREM2.

Neuromyelitis optica (NMO) is an inflammatory and necrotizing disease clinically characterized by selective involvement of the optic nerves and spinal cord. There has been a long controversy as to whether NMO is a variant of multiple sclerosis (MS) or a distinct disease. Recently, an NMO-specific antibody (NMO-IgG) was found in the sera from patients with NMO, and its target antigen was identified as aquaporin 4 (AQP4) water channel protein, mainly expressed in astroglial foot processes. However, the pathogenetic role of the AQP4 in NMO remains unknown. We did an immunohistopathological study on the distribution of AQP4, glial fibrillary acidic protein (GFAP), myelin basic protein (MBP), activated complement C9neo and immunoglobulins in the spinal cord lesions and medulla oblongata of NMO (n = 12), MS (n = 6), brain and spinal infarction (n = 7) and normal control (n = 8). The most striking finding was that AQP4 immunoreactivity was lost in 60 out of a total of 67 acute and chronic NMO lesions (90%), but not in MS plaques. The extensive loss of AQP4 accompanied by decreased GFAP staining was evident, especially in the active perivascular lesions, where immunoglobulins and activated complements were deposited. Interestingly, in those NMO lesions, MBP-stained myelinated fibres were relatively preserved despite the loss of AQP4 and GFAP staining. The areas surrounding the lesions in NMO had enhanced expression of AQP4 and GFAP, which reflected reactive gliosis. In contrast, AQP4 immunoreactivity was well preserved and rather strongly stained in the demyelinating MS plaques, and infarcts were also stained for AQP4 from the very acute phase of necrosis to the chronic stage of astrogliosis. In normal controls, AQP4 was diffusely expressed in the entire tissue sections, but the staining in the spinal cord was stronger in the central grey matter than in the white matter. The present study demonstrated that the immunoreactivities of AQP4 and GFAP were consistently lost from the early stage of the lesions in NMO, notably in the perivascular regions with complement and immunoglobulin deposition. These features in NMO were distinct from those of MS and infarction as well as normal controls, and suggest that astrocytic impairment associated with the loss of AQP4 and humoral immunity may be important in the pathogenesis of NMO lesions.

The ordered assembly of tau protein into filaments characterizes several neurodegenerative diseases, which are called tauopathies. It was previously reported that, by cryo-electron microscopy, the structures of tau filaments from Alzheimer's disease1,2, Pick's disease3, chronic traumatic encephalopathy4 and corticobasal degeneration5 are distinct. Here we show that the structures of tau filaments from progressive supranuclear palsy (PSP) define a new three-layered fold. Moreover, the structures of tau filaments from globular glial tauopathy are similar to those from PSP. The tau filament fold of argyrophilic grain disease (AGD) differs, instead resembling the four-layered fold of corticobasal degeneration. The AGD fold is also observed in ageing-related tau astrogliopathy. Tau protofilament structures from inherited cases of mutations at positions +3 or +16 in intron 10 of MAPT (the microtubule-associated protein tau gene) are also identical to those from AGD, suggesting that relative overproduction of four-repeat tau can give rise to the AGD fold. Finally, the structures of tau filaments from cases of familial British dementia and familial Danish dementia are the same as those from cases of Alzheimer's disease and primary age-related tauopathy. These findings suggest a hierarchical classification of tauopathies on the basis of their filament folds, which complements clinical diagnosis and neuropathology and also allows the identification of new entities-as we show for a case diagnosed as PSP, but with filament structures that are intermediate between those of globular glial tauopathy and PSP.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder. Accumulating evidence has shown that 43kDa TAR-DNA-binding protein (TDP-43) is the disease protein in ALS and frontotemporal lobar degeneration. We previously reported a familial ALS with Bumina bodies and TDP-43-positive skein-like inclusions in the lower motor neurons; these findings are indistinguishable from those of sporadic ALS. In three affected individuals in two generations of one family, we found a single base-pair change from A to G at position 1028 in TDP-43, which resulted in a Gln-to-Arg substitution at position 343. Our findings provide a new insight into the molecular pathogenesis of ALS.

Multiple-system atrophy is an intractable neurodegenerative disease characterized by autonomic failure in addition to various combinations of parkinsonism, cerebellar ataxia, and pyramidal dysfunction. Although multiple-system atrophy is widely considered to be a nongenetic disorder, we previously identified multiplex families with this disease, which indicates the involvement of genetic components.

We describe a strategy for developing hydrophilic chemical cocktails for tissue delipidation, decoloring, refractive index (RI) matching, and decalcification, based on comprehensive chemical profiling. More than 1,600 chemicals were screened by a high-throughput evaluation system for each chemical process. The chemical profiling revealed important chemical factors: salt-free amine with high octanol/water partition-coefficient (logP) for delipidation, N-alkylimidazole for decoloring, aromatic amide for RI matching, and protonation of phosphate ion for decalcification. The strategic integration of optimal chemical cocktails provided a series of CUBIC (clear, unobstructed brain/body imaging cocktails and computational analysis) protocols, which efficiently clear mouse organs, mouse body including bone, and even large primate and human tissues. The updated CUBIC protocols are scalable and reproducible, and they enable three-dimensional imaging of the mammalian body and large primate and human tissues. This strategy represents a future paradigm for the rational design of hydrophilic clearing cocktails that can be used for large tissues.

Abstract Whole-organ/body three-dimensional (3D) staining and imaging have been enduring challenges in histology. By dissecting the complex physicochemical environment of the staining system, we developed a highly optimized 3D staining imaging pipeline based on CUBIC. Based on our precise characterization of biological tissues as an electrolyte gel, we experimentally evaluated broad 3D staining conditions by using an artificial tissue-mimicking material. The combination of optimized conditions allows a bottom-up design of a superior 3D staining protocol that can uniformly label whole adult mouse brains, an adult marmoset brain hemisphere, an ~1 cm 3 tissue block of a postmortem adult human cerebellum, and an entire infant marmoset body with dozens of antibodies and cell-impermeant nuclear stains. The whole-organ 3D images collected by light-sheet microscopy are used for computational analyses and whole-organ comparison analysis between species. This pipeline, named CUBIC-HistoVIsion, thus offers advanced opportunities for organ- and organism-scale histological analysis of multicellular systems.