Abstract Recent structural studies of ex vivo amyloid filaments extracted from human patients demonstrated that the ex vivo filaments associated with different disease phenotypes adopt diverse molecular conformations distinct from those in vitro amyloid filaments. A very recent cryo-EM structural study also revealed that ex vivo α-synuclein filaments extracted from multiple system atrophy (MSA) patients adopt quite distinct molecular structures from those of in vitro α-synuclein filaments, suggesting the presence of co-factors for α-synuclein aggregation in vivo. Here, we report structural characterizations of α-synuclein filaments derived by a potential co-factor, tau, using cryo-EM and solid-state NMR. Our cryo-EM structure of the tau-promoted α-synuclein filament at 4.0 Å resolution is somewhat similar to one of the polymorphs of in vitro α-synuclein filaments. However, the N- and C-terminal regions of the tau-promoted α-synuclein filament have different molecular conformations. Our structural studies highlight the conformational plasticity of α-synuclein filaments, requiring additional structural investigation of not only more ex vivo α-synuclein filaments, but also in vitro α-synuclein filaments formed in the presence of diverse co-factors to better understand molecular basis of diverse molecular conformations of α-synuclein filaments.

Pathological tau aggregates cause cognitive decline in neurodegenerative tauopathies, including Alzheimer’s disease (AD). These aggregates are prevalent within intracellular compartments. Current tau immunotherapies have shown limited efficacy in clearing intracellular tau aggregates and improving cognition in clinical trials. In this study, we developed toxic tau conformation–specific monoclonal antibody-2 (TTCM2), which selectively recognized pathological tau aggregates in brain tissues from patients with AD, dementia with Lewy bodies (DLB), and progressive supranuclear palsy (PSP). TTCM2 potently inhibited tau-seeding activity, an essential mechanism underlying tauopathy progression. To effectively target intracellular tau aggregates and ensure rapid delivery to the brain, TTCM2 was loaded in micelles (TTCM2-ms) and administered through the intranasal route. We found that intranasally administered TTCM2-ms efficiently entered the brain in hTau-tauopathy mice, targeting pathological tau in intracellular compartments. Moreover, a single intranasal dose of TTCM2-ms effectively cleared pathological tau, elevated synaptic proteins, and improved cognitive functions in aged tauopathy mice. Mechanistic studies revealed that TTCM2-ms cleared intracellular, synaptic, and seed-competent tau aggregates through tripartite motif-containing 21 (TRIM21), an intracellular antibody receptor and E3 ubiquitin ligase known to facilitate proteasomal degradation of cytosolic antibody-bound proteins. TRIM21 was found to be essential for TTCM2-ms–mediated clearance of tau pathology. Our study collectively provides evidence of the effectiveness of nasal tau immunotherapy in targeting and clearing intracellular tau pathology through TRIM21 and enhancing cognition in aged tauopathy mice. This study could be valuable in designing effective tau immunotherapies for AD and other tauopathies.

This study identifies and quantifies diverse pathological tau isoforms in the retina of both early and advanced-stage Alzheimer's disease (AD) and determines their relationship with disease status.A case-control study was conducted to investigate the accumulation of retinal neurofibrillary tangles (NFTs), paired helical filament (PHF)-tau, oligomeric tau (oligo-tau), hyperphosphorylated tau (p-tau), and citrullinated tau (Cit-tau) in relation to the respective brain pathology and cognitive dysfunction in mild cognitively impaired (MCI) and AD dementia patients versus normal cognition (NC) controls.Eyes and brains from donors diagnosed with AD, MCI (due to AD), and NC were collected (n=75 in total), along with clinical and neuropathological data. Brain and retinal cross-sections-in predefined superior-temporal and inferior-temporal (ST/IT) subregions-were subjected to histopathology analysis or Nanostring GeoMx digital spatial profiling.Retinal burden of NFTs (pretangles and mature tangles), PHF-tau, p-tau, oligo-tau, and Cit-tau was assessed in MCI and AD versus NC retinas. Pairwise correlations revealed associations between retinal and brain parameters and cognitive status.Increased retinal NFTs (1.8-fold, p=0.0494), PHF-tau (2.3-fold, p<0.0001), oligo-tau (9.1-fold, p<0.0001), CitR 209 -tau (4.3-fold, p<0.0001), pSer202/Thr205-tau (AT8; 4.1-fold, p<0.0001), and pSer396-tau (2.8-fold, p=0.0015) were detected in AD patients. Retinas from MCI patients showed significant increases in NFTs (2.0-fold, p=0.0444), CitR 209 -tau (3.5-fold, p=0.0201), pSer396-tau (2.6-fold, p=0.0409), and, moreover, oligo-tau (5.8-fold, p=0.0045). Nanostring GeoMx quantification demonstrated upregulated retinal p-tau levels in MCI patients at phosphorylation sites of Ser214 (2.3-fold, p=0.0060), Ser396 (1.8-fold, p=0.0052), Ser404 (2.4-fold, p=0.0018), and Thr231 (3.3-fold, p=0.0028). Strong correlations were found between retinal tau forms to paired-brain pathology and cognitive status: a) retinal oligo-tau vs. Braak stage (r=0.60, P=0.0002), b) retinal PHF-tau vs. ABC average score (r=0.64, P=0.0043), c) retinal pSer396-tau vs. brain NFTs (r=0.68, P<0.0001), and d) retinal pSer202/Thr205-tau vs. MMSE scores (r= -0.77, P=0.0089).This study reveals increases in immature and mature retinal tau isoforms in MCI and AD patients, highlighting their relationship with brain pathology and cognition. The data provide strong incentive to further explore retinal tauopathy markers that may be useful for early detection and monitoring of AD staging through noninvasive retinal imaging.

ABSTRACT Amyloid aggregates of specific proteins form important pathological hallmarks in many neurodegenerative diseases, defining neuronal degeneration and disease onset. Recently, increasing numbers of patients show co-morbidities and overlaps between multiple neurodegenerative diseases, presenting distinct phenotypes. Such overlaps are often accompanied by co-localizations of more than one amyloid protein, prompting the question of whether direct interactions between different amyloid proteins could generate heterotypic amyloids. To answer this question, we investigated the effect of α-synuclein (αS) on TDP-43 aggregation inspired by their co-existence in pathologies such as Lewy body dementia and limbic predominant age-related TDP-43 encephalopathy. We previously showed that αS and prion-like C-terminal domain (PrLD) of TDP-43 synergistically interact with one another to generate toxic heterotypic aggregates in vitro. Here, we extend these studies to investigate whether αS induces structurally and functionally distinct polymorphs of PrLD aggregates. Using αS –PrLD heterotypic aggregates generated in two different stoichiometric proportions, we show that αS can effect PrLD fibril forms. The fibril samples have distinctive residue-level structural signatures in NMR spectra, dye-binding capability, proteinase K (PK) stability, and SDS-sensitive thermal stability. By gold nanoparticle labeling and TEM, we show the presence of both αS and PrLD proteins within the same fibrils, and thus the existence of hetertypic hybrid fibrils. We also observe that αS and PrLD co-localize in the cytosol of SH-SY5Y neuroblastoma cells, and show that the heterotypic PrLD fibrils selectively induce synaptic dysfunction in primary cortical neurons. These findings establish the existence of heterotypic amyloid polymorphs and provide a molecular basis for the observed overlap between synucleinopathies and TDP-43 proteinopathies.

Abstract Tau post-translational modifications (PTMs) are associated with progressive tau accumulation and neuronal loss in tauopathies, including forms of frontotemporal lobar degeneration (FTLD) and Alzheimer’s disease (AD). Proteolytic cleavage of tau by active caspases, including caspase-6, represents an underexplored tau PTM implicated in tau pathology. Caspase-cleaved tau is toxic and prone to self-aggregation in experimental models. To elucidate the presence and temporal course of caspase activation, tau cleavage, and neuronal death, we generated two neoepitope monoclonal antibodies (mAbs) against caspase-6 tau proteolytic sites and cortical neurons from induced pluripotent stem cells (iPSCs) with the frontotemporal dementia (FTD)-causing V337M MAPT mutation. FTLD V337M MAPT and AD postmortem brains showed positivity for both cleaved tau mAbs as well as active caspase-6. Relative to isogenic wild-type MAPT controls, V337M MAPT neurons showed a time-dependent increase in pathogenic tau in the form of tau oligomers, caspase-cleaved tau, and p-tau. Accumulation of toxic tau species in 3-month V337M MAPT neurons also increased vulnerability to stress, which was pharmacologically rescued by caspase inhibition. We propose a model in which time-dependent accumulation of caspase-cleaved tau in V337M MAPT neurons promotes neurotoxicity that is reversed by caspase-6 inhibition. Caspase-cleaved tau may be a biomarker of tauopathy, and caspases could be viable targets for therapeutic intervention against tau pathogenesis in FTLD and other tauopathies. Significance The mechanisms leading to tau pathology in frontotemporal dementia (FTD) and Alzheimer’s disease (AD) remain elusive. Experimental studies in AD demonstrate that tau cleavage by active caspase-6 contributes to tau pathology since cleaved tau may be toxic and prone to self-aggregation. Yet, the role of caspase-cleaved tau in promoting toxicity and cell death is unclear. Here, we generated two neoepitope monoclonal antibodies against caspase-6 tau and evaluated tau cleavage in postmortem human brains, iPSC-induced cortical neurons with the FTD-causing V337M MAPT mutation, and isogenic wild-type MAPT controls. Our results demonstrate a time-dependent accumulation of caspase-cleaved tau and increased neurotoxicity in the mutant iNs that is reversed by caspase-6 inhibition. Caspases could be viable therapeutic targets against tau pathology in tauopathies.

Abstract Tau protein is a known contributor in several neurodegenerative diseases, including Alzheimer ‘s disease (AD) and frontotemporal dementia (FTD). It is well-established that tau forms pathological aggregates and fibrils in these diseases. Tau has been observed within the nuclei of neurons, but there is a gap in understanding regarding the mechanism by which tau modulates transcription. We are interested in the P301L mutation of tau, which has been associated with FTD and increased tau aggregation. Our study utilized tau-inducible HEK (iHEK) cells to reveal that WT and P301L tau distinctively alter the transcription and alternative polyadenylation (APA) profiles of numerous nuclear precursors mRNAs, which then translate to form proteins involved in chromatin remodeling and splicing. We isolated total mRNA before and after over-expressing tau and then performed Poly(A)-ClickSeq (PAC-Seq) to characterize mRNA expression and APA profiles. We characterized changes in Gene Ontology (GO) pathways using EnrichR and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA). We observed that P301L tau up-regulates genes associated with reactive oxygen species responsiveness as well as genes involved in dendrite, microtubule, and nuclear body/speckle formation. The number of genes regulated by WT tau is greater than the mutant form, which indicates that the P301L mutation causes loss-of-function at the transcriptional level. WT tau up-regulates genes contributing to cytoskeleton-dependent intracellular transport, microglial activation, microtubule and nuclear chromatin organization, formation of nuclear bodies and speckles. Interestingly, both WT and P301L tau commonly down-regulate genes responsible for ubiquitin-proteosome system. In addition, WT tau significantly down-regulates several genes implicated in chromatin remodeling and nucleosome organization. Although there are limitations inherent to the model systems used, this study will improve understanding regarding the nuclear impact of tau at the transcriptional and post-transcriptional level. This study also illustrates the potential impact of P301L tau on the human brain genome during early phases of pathogenesis. Author summary While tau biology has been extensively studied and closely linked to several neurodegenerative diseases, our current understanding of tau’s functions in the nucleus is limited. Given the role of tau in disease progression and pathogenesis, elucidating the function of tau activity in transcription and its nuclear accumulation may reveal novel therapeutic targets; therefore, helping identify new upstream pathways that have yet to be investigated. In this study, we used tau-inducible cell lines to uncover new molecular mechanisms by which tau functions in the nucleus. This study systematically investigates the changes in transcriptomic and alternative polyadenylation profiles modulated by WT and mutant P301L tau protein. In this manuscript, we report following new findings ( i ) tau modulates gene expression of transcripts associated with chromatin remodeling and splicing complexes; ( ii ) WT and mutant P301L tau regulate, differentially, transcription and alternative polyadenylation (APA) profiles; and ( iii ) P301L mutation affects the transcription mediated by tau protein. The potential role of tau in mediating transcription and alternative polyadenylation processes is not well studied, representing a novelty in the field. Therefore, this research establishes a new direction for investigating tau nuclear function in both human and mouse brains.

Abstract This study investigates various pathological tau isoforms in the retina of individuals with early and advanced Alzheimer’s disease (AD), exploring their connection with disease status. Retinal cross-sections from predefined superior-temporal and inferior-temporal subregions and corresponding brains from neuropathologically confirmed AD patients with a clinical diagnosis of either mild cognitive impairment (MCI) or dementia ( n = 45) were compared with retinas from age- and sex-matched individuals with normal cognition ( n = 30) and non-AD dementia ( n = 4). Retinal tau isoforms, including tau tangles, paired helical filament of tau (PHF-tau), oligomeric-tau (Oligo-tau), hyperphosphorylated-tau (p-tau), and citrullinated-tau (Cit-tau), were stereologically analyzed by immunohistochemistry and Nanostring GeoMx digital spatial profiling, and correlated with clinical and neuropathological outcomes. Our data indicated significant increases in various AD-related pretangle tau isoforms, especially p-tau (AT8, 2.9-fold, pS396-tau, 2.6-fold), Cit-tau at arginine residue 209 (CitR 209 -tau; 4.1-fold), and Oligo-tau (T22 + , 9.2-fold), as well as pretangle and mature tau tangle forms like MC-1-positive (1.8-fold) and PHF-tau (2.3-fold), in AD compared to control retinas. MCI retinas also exhibited substantial increases in Oligo-tau (5.2-fold), CitR 209 -tau (3.5-fold), and pS396-tau (2.2-fold). Nanostring GeoMx analysis confirmed elevated retinal p-tau at epitopes: Ser214 (2.3-fold), Ser396 (2.6-fold), Ser404 (2.4-fold), and Thr231 (1.8-fold), particularly in MCI patients. Strong associations were found between retinal tau isoforms versus brain pathology and cognitive status: a) retinal Oligo-tau vs. Braak stage, neurofibrillary tangles (NFTs), and CDR cognitive scores ( ρ = 0.63–0.71), b) retinal PHF-tau vs. neuropil threads (NTs) and ABC scores ( ρ = 0.69–0.71), and c) retinal pS396-tau vs. NTs, NFTs, and ABC scores ( ρ = 0.67–0.74). Notably, retinal Oligo-tau strongly correlated with retinal Aβ 42 and arterial Aβ 40 forms ( r = 0.76–0.86). Overall, this study identifies and quantifies diverse retinal tau isoforms in MCI and AD patients, underscoring their link to brain pathology and cognition. These findings advocate for further exploration of retinal tauopathy biomarkers to facilitate AD detection and monitoring via noninvasive retinal imaging.

Abstract The microtubule associated protein, tau, is implicated in a multitude of neurodegenerative disorders that are collectively termed as tauopathies. These disorders are characterized by the presence of tau aggregates within the brain of afflicted individuals. Mutations within the MAPT gene that encodes the tau protein form the genetic backdrop for familial forms of tauopathies, such as frontotemporal dementia (FTD), but the molecular consequences of such alterations and their pathological effects are unclear. We sought to investigate the conformational properties of the aggregates of three tau mutants: A152T, P301L, and R406W, all implicated within FTD, and compare them to those of the native form (WT‐Tau 2N4R). Our immunochemical analysis reveals that mutants and WT tau oligomers exhibit similar affinity for conformation‐specific antibodies but have distinct morphology and secondary structure. Additionally, these oligomers possess different dye‐binding properties and varying sensitivity to proteolytic processing. These results point to conformational variety among them. We then tested the ability of the mutant oligomers to cross‐seed the aggregation of WT tau monomer. Using similar array of experiments, we found that cross‐seeding with mutant aggregates leads to the formation of conformationally unique WT oligomers. The results discussed in this paper provide a novel perspective on the structural properties of oligomeric forms of WT tau 2N4R and its mutant, along with shedding some light on their cross‐seeding behavior.

Abstract Background Intracellular amyloid-beta oligomers (iAβo) accumulation and neuronal hyperexcitability are two crucial events at early stages of Alzheimer’s disease (AD). However, to date, no mechanism linking them has been reported. Methods Here, the effects of human AD brain-derived (h-iAβo) and synthetic (iAβo) peptides on synaptic currents and action potential (AP) firing were investigated in hippocampal neurons in vitro, ex vivo and in vivo . Results Starting from 500 pM, iAβo rapidly increased the frequency of synaptic currents and higher concentrations potentiated the AMPA receptor-mediated current. Both effects were PKC-dependent. Parallel recordings of synaptic currents and nitric oxide (NO)-related fluorescence changes indicated that the increased frequency, related to pre-synaptic release, was dependent on a NO-mediated retrograde signaling. Moreover, increased synchronization in NO production was also observed in neurons neighboring those dialyzed with iAβo, indicating that iAβo can increase network excitability at a distance. Current-clamp recordings suggested that iAβo increased neuronal excitability via AMPA-driven synaptic activity without altering membrane intrinsic properties. Conclusion These results strongly indicate that iAβo causes functional spreading of hyperexcitability through a synaptic-driven mechanism and offer an important neuropathological significance to intracellular species in the initial stages of AD, which include brain hyperexcitability and seizures.

Amyloid beta (Abeta) peptides are a major contributor to Alzheimers disease. Previously, our group proposed molecular models of Abeta42 hexamers with two concentric antiparallel beta-barrels that act as seeds from which dodecamers, octadecamers, both smooth and beaded annular protofibrils, and transmembrane channels form. Since then, numerous aspects of our models have been supported by experimental findings. Here we develop a more extensive range of models to be consistent with dimensions of assemblies observed in electron microscopy images of annular protofibrils and transmembrane assemblies. These models have the following features: Dodecamers with 2-concentric beta-barrels are the major components of beaded annular protofibrils (bAPFs). These beads merge to form smooth annular protofibrils (sAPFs) that have three or four concentric beta-barrels. Channels form from two to nine hexamers. Antiparallel C-terminus S3 segments form an outer transmembrane beta-barrel. Half of the monomers of vertically asymmetric 12mer to 36mer channels form parallel transmembrane S2 beta-barrels, and S1-S2 (N-terminus and middle) segments of the other half of the monomers form aqueous domains on the cis side of the membrane. Unit cells of 42-54mers have two more transmembrane S2 segments, with four concentric beta-barrels in the transmembrane region and two concentric beta-barrels on the cis side of the membrane.