Significance We identify the abundant presence in the human brain of magnetite nanoparticles that match precisely the high-temperature magnetite nanospheres, formed by combustion and/or friction-derived heating, which are prolific in urban, airborne particulate matter (PM). Because many of the airborne magnetite pollution particles are <200 nm in diameter, they can enter the brain directly through the olfactory nerve and by crossing the damaged olfactory unit. This discovery is important because nanoscale magnetite can respond to external magnetic fields, and is toxic to the brain, being implicated in production of damaging reactive oxygen species (ROS). Because enhanced ROS production is causally linked to neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease, exposure to such airborne PM-derived magnetite nanoparticles might need to be examined as a possible hazard to human health.

A quantitative morphometric analysis was used to estimate neurone and synapse densities in cerebral cortical biopsy tissues from patients with dementia under 65 years of age and pathologically verified as suffering from Alzheimer's disease. Estimates of the numerical density of neurones and synapses were made in layers II–III and V of both frontal and temporal cortex. A greater loss of synapses than that of neurones was found in Alzheimer's disease, amounting to a minimum (uncorrected for atrophy) of 25% in layers II–III and 36% in layer V of the temporal cortex, and 27% in layer V of the frontal cortex. Values of synapse to neurone ratio also demonstrated this greater loss of synapses, there being on average 38% fewer synapses associated with each surviving neurone in layers II–III of the temporal cortex, 30% fewer in layer V, and a deficit of 14% in layer V of the frontal cortex. It is concluded that a major loss of synapses occurred in this group of patients with Alzheimer's disease, probably at an early stage of the disease, and that the loss is likely to form a fundamental part of the pathological process that underlies the cortical damage of this condition.

Parkinson's disease (PD) and other related disorders are characterized by the accumulation of fibrillar aggregates of alpha-synuclein protein (alpha-syn) inside brain cells. It is likely that the formation of alpha-syn aggregates plays a seminal role in the pathogenesis of at least some of these diseases, because two different mutations in the gene encoding alpha-syn have been found in inherited forms of PD. alpha-Syn is mainly expressed by neuronal cells and is generally considered to exist as a cytoplasmic protein. Here, we report the unexpected identification of alpha-syn in conditioned culture media from untransfected and alpha-syn-transfected human neuroblastoma cells, as well as in human cerebrospinal fluid and blood plasma. The method used was immunocapture by using anti-alpha-syn antibodies coupled to magnetic beads, followed by detection on Western blots. In all cases, alpha-syn was identified as a single 15 kDa band, which co-migrated with a recombinant form of the protein and reacted with five different antibodies to alpha-syn. Our findings suggest that cells normally secrete alpha-syn into their surrounding media, both in vitro and in vivo. The detection of extracellular alpha-syn and/or its modified forms in body fluids, particularly in human plasma, offers new opportunities for the development of diagnostic tests for PD and related diseases.

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.

Missense mutations in the α-synuclein gene cause familial Parkinson's disease (PD), and α-synuclein is a major component of Lewy bodies (LBs) in sporadic PD, dementia with LBs (DLB), and the LB variant of Alzheimer's disease (AD). To determine whether α-synuclein is a component of LBs in familial AD (FAD) patients with known mutations in presenilin (n = 65) or amyloid precursor protein (n = 9) genes, studies were conducted with antibodies to α-, β-, and γ-synuclein. LBs were detected with α- but not β- or γ-synuclein antibodies in 22% of FAD brains, and α-synuclein-positive LBs were most numerous in amygdala where some LBs co-localized with tau-positive neurofibrillary tangles. As 12 (63%) of 19 FAD amygdala samples contained α-synuclein-positive LBs, these inclusions may be more common in FAD brains than previously reported. Furthermore, α-synuclein antibodies decorated LB filaments by immunoelectron microscopy, and Western blots revealed that the solubility of α-synuclein was reduced compared with control brains. The presence of α-synuclein-positive LBs was not associated with any specific FAD mutation. These studies suggest that insoluble α-synuclein aggregates into filaments that form LBs in many FAD patients, and we speculate that these inclusions may compromise the function and/or viability of affected neurons in the FAD brain.

Abstract Computer visualization techniques were used to map and to quantitatively reconstruct the entire locus coeruleus, including the nucleus subcoeruleus, to compare the topographic patterns of cell loss in postmortem brains from patients with Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and Down syndrome. There was comparable cell loss in all three diseases (approximately 60%) compared with aged normal subjects, and there was a significant loss of nucleus subcoeruleus cells specifically in patients with Parkinson's disease (63%). There was a significant positive correlation between the magnitude of locus coeruleus cell loss and the duration of Alzheimer's disease, but no such correlation was found for Parkinson's disease. In patients with Parkinson's disease, there was comparable cell loss throughout the rostral‐caudal extent of the nucleus; however, in patients with Alzheimer's disease and Down syndrome, the greatest cell loss always occurred within the rostral portion of the nucleus, with a relative sparing of caudal cells. These data are consistent with the hypothesis that cell loss in Parkinson's disease is the result of a pathological process that attacks the catecholaminergic cells of the locus coeruleus and the subcoeruleus in general; in Alzheimer's disease and Down syndrome, however, the pathological process only affects the rostral, cortical‐projecting locus coeruleus cells and spares the caudal, noncortical‐projecting cells.

The form and distribution of senile plaques (SP) and neurofibrillary tangles (NFT) has been examined in the brains of 13 patients with Down's syndrome (DS), aged less than or equal to 50 years, using immunocytochemical and silver staining procedures. SP become present within the brain before NFT and these appear firstly as fine, even, diffuse areas of anti-amyloid (A4) protein immunoreactivity in the absence of any discernable neuritic change. Later the amount of anti-A4 protein in SP increases and SP show a marked surrounding neuritic response which is detectable using either silver or anti-paired helical filament (PHF) staining methods. At this stage NFT also become detectable within the perikaryon of nerve cells in both the cortex and the subcortex, with the large stellate neurones of layer II of the entorhinal cortex showing an early involvement. By the age of 50 years, most patients are well on the way towards achieving (and some have already achieved) that pattern of SP and NFT morphology and distribution that is typically seen in patients over 50 years of age with DS and in other patients in the general population with Alzheimer's disease.

α-Synuclein is one of the major components of intracellular fibrillary aggregates in the brains of a subset of neurodegenerative disorders, including Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies, multiple system atrophy, and Hallervorden-Spatz disease, which are referred to as α-synucleinopathies. We have shown previously (Fujiwara, H., Hasegawa, M., Dohmae, N., Kawashima, A., Masliah, E., Goldberg, M. S., Shen, J., Takio, K., and Iwatsubo, T. (2002) Nat. Cell Biol. 4, 160–164) that α-synuclein deposited in synucleinopathy brains is extensively phosphorylated at Ser-129 and migrates at 15 kDa. Here we examined the biochemical characteristics of the additional, higher molecular mass species of phosphorylated α-synuclein-positive polypeptides that also are recovered in the Sarkosyl-insoluble fraction of synucleinopathy and migrate at about 22 and 29 kDa. These 22 and 29 kDa bands were positive for three different anti-ubiquitin antibodies and comigrated perfectly with in vitro ubiquitinated α-synuclein that may correspond to mono- and diubiquitinated α-synuclein, respectively. Furthermore, cyanogen bromide cleavage of the 22 and 29 kDa polypeptides shifted the mobility to 19 and 26 kDa, respectively, and they retained immunoreactivity for both ubiquitin and α-synuclein. Finally, protein sequence analysis showed that the 19 kDa band contained two amino-terminal sequences of α-synuclein and ubiquitin. These results strongly suggest that phosphorylated α-synuclein is targeted to mono- and diubiquitination in synucleinopathy brains, which may have implications for mechanisms of these diseases.

Abstract The amyloid β peptide (Aβ) starting with pyroglutamate (pE) at position 3 and ending at position 42 (Aβ3pE-42) is a dominant species that accumulates in the Alzheimer’s disease (AD) brain. Consistently, a therapeutic antibody raised against this species, donanemab, has been shown to be effective in recent clinical trials. While the primary Aβ species produced physiologically is Aβ1-40/42, an explanation for how and why this physiological Aβ is converted to the pathological form has remained elusive. The conversion of Aβ1-42 to Aβ3pE-42 is likely to take place after deposition of Aβ1-42 given that Aβ3pE-42 plaques arise significantly later than Aβ1-42 deposition in the brains of single App knock-in and APP-transgenic mice. Here, we present experimental evidence that accounts for the aging-associated Aβ3pE-42 deposition: [1] Aβ3pE-42 is metabolically more stable than other AβX-42 species; [2] Deficiency of neprilysin (NEP), the major Aβ-degrading enzyme, induces a relatively selective deposition of Aβ3pE-42 in APP-Tg mice. [3] Aβ3pE-42 deposition always colocalizes with cored plaques in both APP-Tg and App knock-in mouse brains; [4] Aβ3E-42, an immediate precursor of Aβ3pE-42, as well as Aβ2A-42 and Aβ4F-42 are more short-lived than Aβ1-42 in vivo , indicating that simple N-terminal truncation that can arise enzymatically or spontaneously makes AβX-42 easier to catabolize. Consistently, newly generated knock-in mice, App NL-(ΔDA)-F and App NL-(ΔDA)-Q-F , showed no detectable Aβ pathology even after aging, indicating that the Aβ3E-42 and Aβ3Q-42 species are extremely labile to the in vivo catabolic system and that the E/Q cyclase activity present in mouse brain is insufficient for Aβ3pE-42 generation. In addition, a deficiency of NEP facilitated Aβ3pE-42 deposition. Of note, we identified a trace amount of Aβ3pE-42 and its immediate precursor, Aβ3E-42, in the insoluble fraction of NEP-deficient APP-Tg mouse brains. Aβ3pE-42 is thus likely to be a probabilistic by-product of Aβ1-42 metabolism that selectively accumulates over a long-time range of brain aging. It is likely produced in the solid state or at the solid-liquid interface. Our findings suggest that anti-Aβ therapies will probably be most effective if given before Aβ3pE-42 deposition takes place.

Recent large-scale genetic studies have allowed for the first glimpse of the effects of common genetic variability in dementia with Lewy bodies (DLB), identifying risk variants with appreciable effect sizes. However, it is currently well established that a substantial portion of the genetic heritable component of complex traits is not captured by genome-wide significant SNPs. To overcome this issue, we have estimated the proportion of phenotypic variance explained by genetic variability (SNP heritability) in DLB using a method that is unbiased by allele frequency or linkage disequilibrium properties of the underlying variants. This shows that the heritability of DLB is nearly twice as high as previous estimates based on common variants only (31% vs 59.9%). We also determine the amount of phenotypic variance in DLB that can be explained by recent polygenic risk scores from either Parkinson's disease (PD) or Alzheimer's disease (AD), and show that, despite being highly significant, they explain a low amount of variance. Additionally, to identify pleiotropic events that might improve our understanding of the disease, we performed genetic correlation analyses of DLB with over 200 diseases and biomedically relevant traits. Our data shows that DLB has a positive correlation with education phenotypes, which is opposite to what occurs in AD. Overall, our data suggests that novel genetic risk factors for DLB should be identified by larger GWAS and these are likely to be independent from known AD and PD risk variants.