We report a highly significant correlation in brain proteome changes between Alzheimers disease (AD) and CRND8 APP695NL/F transgenic mice. However, integrating protein changes observed in the CRND8 mice with co-expression networks derived from human AD, reveals both conserved and divergent module changes. For the most highly conserved module (M42, matrisome) we find many proteins accumulate in plaques, cerebrovascular amyloid (CAA), dystrophic processes, or a combination thereof. Overexpression of two M42 proteins, midkine (Mdk) and pleiotrophin (PTN), in CRND8 mice brains leads to increased accumulation of A β ; in plaques and in CAA; further, recombinant MDK and PTN enhance A β ; aggregation into amyloid. Multiple M42 proteins, annotated as heparan sulfate binding proteins, bind to fibrillar A β 42 and a non-human amyloid fibril in vitro. Supporting this binding data, MDK and PTN co-accumulate with transthyretin (TTR) amyloid in the heart and islet amyloid polypeptide (IAPP) amyloid in the pancreas. Our findings establish several critical insights. Proteomic changes in modules observed in human AD brains define an A β ; amyloid responsome that is well conserved from mouse model to human. Further, distinct amyloid structures may serve as scaffolds, facilitating the co-accumulation of proteins with signaling functions. We hypothesize that this co-accumulation may contribute to downstream pathological sequalae. Overall, this contextualized understanding of proteomic changes and their interplay with amyloid deposition provides valuable insights into the complexity of AD pathogenesis and potential biomarkers and therapeutic targets.

Abstract Microglia are resident immune cells of the brain that play important roles in mediating inflammatory responses in several neurological diseases via direct and indirect mechanisms. One indirect mechanism may involve extracellular vesicle (EV) release, so that the molecular cargo transported by microglia-derived EVs can have functional effects by facilitating intercellular communication. The molecular composition of microglia-derived EVs, and how microglial activation states impacts EV composition and EV-mediated effects in neuroinflammation, remain poorly understood. We hypothesize that microglia-derived EVs have unique molecular profiles that are determined by microglial activation state. Using size-exclusion chromatography to purify EVs from BV2 microglia, combined with proteomic (label-free quantitative mass spectrometry or LFQ-MS) and transcriptomic (mRNA and non-coding RNA seq) methods, we obtained comprehensive molecular profiles of microglia-derived EVs. LFQ-MS identified several classic EV proteins (tetraspanins, ESCRT machinery, and heat shock proteins), in addition to over 200 proteins not previously reported in the literature. Unique mRNA and microRNA signatures of microglia-derived EVs were also identified. After treating BV2 microglia with lipopolysaccharide (LPS), interleukin-10, or transforming growth factor beta, to mimic pro-inflammatory, anti-inflammatory, or homeostatic states, respectively, LFQ-MS and RNA seq revealed novel state-specific proteomic and transcriptomic signatures of microglia-derived EVs. Particularly, LPS treatment had the most profound impact on proteomic and transcriptomic compositions of microglia-derived EVs. Furthermore, we found that EVs derived from LPS-activated microglia were able to induce pro-inflammatory transcriptomic changes in resting responder microglia, confirming the ability of microglia-derived EVs to relay functionally-relevant inflammatory signals. These comprehensive microglia-EV molecular datasets represent important resources for the neuroscience and glial communities, and provide novel insights into the role of microglia-derived EVs in neuroinflammation.

One of the earliest pathophysiological perturbations in Alzheimer's Disease (AD) may arise from dysfunction of fast-spiking parvalbumin (PV) interneurons (PV-INs). Defining early protein-level (proteomic) alterations in PV-INs can provide key biological and translationally relevant insights. Here, we use cell-type-specific in vivo biotinylation of proteins (CIBOP) coupled with mass spectrometry to obtain native-state proteomes of PV interneurons. PV-INs exhibited proteomic signatures of high metabolic, mitochondrial, and translational activity, with over-representation of causally linked AD genetic risk factors. Analyses of bulk brain proteomes indicated strong correlations between PV-IN proteins with cognitive decline in humans, and with progressive neuropathology in humans and mouse models of Aβ pathology. Furthermore, PV-IN-specific proteomes revealed unique signatures of increased mitochondrial and metabolic proteins, but decreased synaptic and mTOR signaling proteins in response to early Aβ pathology. PV-specific changes were not apparent in whole-brain proteomes. These findings showcase the first native state PV-IN proteomes in mammalian brain, revealing a molecular basis for their unique vulnerabilities in AD.

Alzheimer's disease (AD) is a complex neurodegenerative disorder that develops over decades. AD brain proteomics reveals vast alterations in protein levels and numerous altered biologic pathways. Here, we compare AD brain proteome and network changes with the brain proteomes of amyloid β (Aβ)-depositing mice to identify conserved and divergent protein networks with the conserved networks identifying an Aβ amyloid responsome. Proteins in the most conserved network (M42) accumulate in plaques, cerebrovascular amyloid (CAA), and/or dystrophic neuronal processes, and overexpression of two M42 proteins, midkine (Mdk) and pleiotrophin (PTN), increases the accumulation of Aβ in plaques and CAA. M42 proteins bind amyloid fibrils in vitro, and MDK and PTN co-accumulate with cardiac transthyretin amyloid. M42 proteins appear intimately linked to amyloid deposition and can regulate amyloid deposition, suggesting that they are pathology modifiers and thus putative therapeutic targets. We posit that amyloid-scaffolded accumulation of numerous M42+ proteins is a central mechanism mediating downstream pathophysiology in AD.

ABSTRACT Microglia are the resident immune cells of the brain and regulate the brain’s inflammatory state. In neurodegenerative diseases, microglia transition from a homeostatic state to a state referred to as disease associated microglia (DAM). DAM express higher levels of proinflammatory signaling, like STAT1 and TLR2, and show transitions in mitochondrial activity toward a more glycolytic response. Inhibition of Kv1.3 decreases the proinflammatory signature of DAM, though how Kv1.3 influences the response is unknown. Our goal was to establish the potential proteins interacting with Kv1.3 during the TLR4-mendiated transition to DAM. We utilized TurboID, a biotin ligase, fused to Kv1.3 to evaluate the potential interacting proteins with Kv1.3 via mass spectrometry in BV-2 microglia during an immune response. Electrophysiology, western blots, and flow cytometry were used to evaluate Kv1.3 channel presence and TurboID biotinylation activity. We hypothesized that Kv1.3 contains domain-specific interactors that vary during an TLR4-induced inflammatory response, some of which are dependent on the PDZ-binding domain on the C-terminus. We determined that the N-terminus of Kv1.3 is responsible for trafficking Kv1.3 to the cell surface and mitochondria ( e.g. NUNDC, TIMM50). The C-terminus interacts with immune signaling proteins in an LPS-induced inflammatory response ( e.g. STAT1, TLR2, and C3). There are 70 proteins that rely on the c-terminal PDZ-binding domain to interact with Kv1.3 ( i.e. ND3, Snx3, and Sun1). Overall, we highlight that the Kv1.3 potassium channel functions beyond outward flux of potassium in an inflammatory context and contributes to activity of key immune signaling proteins, such as STAT1 and C3. MAIN POINTS Kv1.3 channels are highly abundant in pro-inflammatory microglia in neurological diseases. Kv1.3 channels may regulate microglial functions by interacting with other proteins via its N and C terminal domains. Using proximity-based proteomics, we identified several novel proteins that interact with the N and C terminus of Kv1.3 channels, some of which are domain-specific. Kv1.3 channels in microglia interact with many immune signaling proteins, including Tlr2, Stat1 and integrins. Under homeostatic conditions, the N-terminus of Kv1.3 interacts with proteins involved in protein trafficking, to the cell surface and mitochondria. The PDZ-binding region was an important determinant of the C terminal interactome. During an LPS-induced inflammatory response, the C-terminus of Kv1.3 uniquely interacts with immune and signaling proteins of disease relevance, including STAT1

1.0 ABSTRACT Different brain cell types play distinct roles in brain development and disease. Molecular characterization of cell-specific mechanisms using cell type-specific approaches at the protein (proteomic) level, can provide biological and therapeutic insights. To overcome the barriers of conventional isolation-based methods for cell type-specific proteomics, in vivo proteomic labeling with proximity dependent biotinylation of cytosolic proteins using biotin ligase TurboID, coupled with mass spectrometry (MS) of labeled proteins, has emerged as a powerful strategy for cell type-specific proteomics in the native state of cells without need for cellular isolation. To complement in vivo proximity labeling approaches, in vitro studies are needed to ensure that cellular proteomes using the TurboID approach are representative of the whole cell proteome, and capture cellular responses to stimuli without disruption of cellular processes. To address this, we generated murine neuroblastoma (N2A) and microglial (BV2) lines stably expressing cytosolic TurboID to biotinylate the cellular proteome for downstream purification and analysis using MS. TurboID-mediated biotinylation captured 59% of BV2 and 65% of N2A proteomes under homeostatic conditions. TurboID expression and biotinylation minimally impacted homeostatic cellular proteomes of BV2 and N2A cells, and did not affect cytokine production or mitochondrial respiration in BV2 cells under resting or lipopolysaccharide (LPS)-stimulated conditions. These included endo-lysosome, translation, vesicle and signaling proteins in BV2 microglia, and synaptic, neuron projection and microtubule proteins in N2A neurons. The effect of LPS treatment on the microglial proteome was captured by MS analysis of biotinylated proteins (>500 differentially-abundant proteins) including increased canonical pro-inflammatory proteins (Il1a, Irg1, Oasl1) and decrease anti-inflammatory proteins (Arg1, Mgl2).