Abstract Activation of microglia, the brain’s innate immune cells, is a prominent pathological feature in tauopathies, including Alzheimer’s disease. How microglia activation contributes to tau toxicity remains largely unknown. Here we show that nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB) signaling, activated by tau, drives microglial-mediated tau propagation and toxicity. Constitutive activation of microglial NF-κB exacerbated, while inactivation diminished, tau seeding and spreading in PS19 mice, consistent with the observation that NF-κB activation accelerates processing of internalized tau fibrils in primary microglia. Remarkably, inhibition of microglial NF-κB specifically also rescued tau-mediated learning and memory deficits, and restored overall transcriptomic changes while increasing tau inclusions. On a single cell level, we discovered that tau-associated disease states in microglia were diminished by NF-κB inactivation and further transformed by constitutive NF-κB activation. Our study establishes a central role for microglial NF-κB signaling in mediating tau toxicity in tauopathy.

Summary Neuropils are compartments in the nervous system containing dense networks of neurites and synapses which function as information processing centers. Neuropil formation requires structural and functional organization at and across different scales, achieving single-axon precision for circuits that carry out the core functions while simultaneously accommodating variability among individuals [1; 2; 3; 4]. How these organizational features emerge over development is poorly understood. The nerve ring is the primary neuropil in C. elegans , and its structure is thoroughly mapped [5; 6]. We show that prior to axon outgrowth, nerve ring neurons form a ring of multicellular rosettes with surrounding cells to organize the stratified nerve ring structure [7; 8]. Axon bundles which correspond to future nerve ring strata grow from rosette centers, travel along the ring on “bridge” cells that are simultaneously engaged in adjacent rosettes, and assemble into a topographic scaffold of the nerve ring. SAX-3/Robo is required for proper rosette formation and outgrowth from the center. Furthermore, axon contact sites that form early in development are more conserved than the later ones, indicating a temporal component in neuropil structural variability. Our results reveal an unexpected and critical role of collective cell behaviors prior to innervation to pattern a complex neuropil and orchestrate its formation across scales.

ABSTRACT The hemizygous R47H variant of TREM2 , a microglia-specific gene in the brain, increases risk for late-onset Alzheimer’s disease (AD). In this study, we identified a subpopulation of microglia with disease-enhancing proinflammatory signatures associated with the R47H mutation in human AD brains and tauopathy mouse brains. Using transcriptomic analysis at the single-nuclei level from AD patients with the R47H or the common variant (CV )-TREM2 with matched sex, pathology and APOE status, we found that the R47H mutation was associated with cell type- and sex-specific transcriptional changes in human AD brains, with microglia exhibiting the most robust alterations. Further characterization revealed that R47H-associated microglial subpopulations had enhanced inflammatory signatures including hyperactivation of Akt, one of the signaling pathways downstream of TREM2. In a newly-generated tauopathy knock-in mouse model expressing one allele of human TREM2 ( hTREM2) with either the R47H mutation or CV, R47H induced and exacerbated tau-mediated spatial memory deficits in female mice. Single-cell transcriptomic analysis of microglia from these mice also revealed transcriptomic changes induced by R47H that had significant overlaps with R47H microglia in human AD brains, including robust increases in proinflammatory cytokines, activation of Syk-Akt-signaling, and elevation of a subset of disease-associated microglial signatures. Strikingly, pharmacological Akt inhibition largely reversed the enhanced inflammatory signatures induced by R47H in primary microglia treated with tau fibrils. By unraveling the disease-enhancing properties of the R47H mutation in mouse and human, our findings shed light on an immune-linked AD subtype and provide new directions for modulating microglial immune responses to treat AD.

Demyelination occurs in aging and associated diseases, including Alzheimer9s disease. Several of these diseases exhibit sex differences in prevalence and severity. Biological sex primarily stems from sex chromosomes and gonads releasing sex hormones. To dissect mechanisms underlying sex differences in demyelination of aging brains, we constructed a transcriptomic atlas of cell type-specific responses to illustrate how sex chromosomes, gonads, and their interaction shape responses to demyelination. We found that sex-biased oligodendrocyte and microglial responses are driven by interaction of sex chromosomes and gonads prior to myelin loss. Post demyelination, sex chromosomes mainly guide microglial responses, while gonadal composition influences oligodendrocyte signaling. Significantly, ablation of the X-linked gene Toll-like receptor 7 (Tlr7), which exhibited sex-biased expression during demyelination, abolished the sex-biased responses and protected against demyelination.

Coordination of neurite morphogenesis with surrounding tissues is crucial to the establishment of neural circuits, but the underlying cellular and molecular mechanisms remain poorly understood. We show that neurons in a C. elegans sensory organ, called the amphid, undergo a collective dendrite extension to initiate formation of the sensory nerve. The amphid neurons first assemble into a multicellular rosette. The vertex of the rosette, which becomes the dendrite tips, is attached to the anteriorly migrating epidermis and carried to the sensory depression, extruding the dendrites away from the neuronal cell bodies. Multiple adhesion molecules including DYF-7, SAX-7, HMR-1 and DLG-1 function redundantly in rosette-to-epidermis attachment. PAR-6 is localized to the rosette vertex and dendrite tips, and promotes DYF-7 localization and dendrite extension. Our results suggest a collective mechanism of neurite extension that is distinct from the classical pioneer-follower model and highlight the role of mechanical cues from surrounding tissues in shaping neurites.

PURPOSE: CRISPR/Cas has recently been adapted to enable efficient editing of the mammalian genome, opening novel avenues for therapeutic intervention of inherited diseases. In seeking to disrupt Yellow Fluorescent Protein (YFP) in a Thy1-YFP transgenic mouse, we assessed the feasibility of utilising the adeno-associated virus 2 (AAV2) to deliver CRISPR/Cas for genome modification of retinal cells in vivo. METHODS: sgRNA plasmids were designed to target YFP and after in vitro validation, selected guides were cloned into a dual AAV system. One AAV2 construct was used to deliver SpCas9 and the other delivered sgRNA against YFP or LacZ (control) in the presence of mCherry. Five weeks after intravitreal injection, retinal function was determined using electroretinography and CRISPR/Cas-mediated gene modifications were quantified in retinal flat mounts. RESULTS: AAV2-mediated in vivo delivery of SpCas9 with sgRNA targeting YFP, significantly reduced the number of YFP fluorescent cells of the inner retina of our transgenic mouse model. Overall, we found an 84.0% (95% CI: 81.8-86.9) reduction of YFP-positive cells in YFP-sgRNA infected retinal cells compared to eyes treated with LacZ-sgRNA. Electroretinography profiling found no significant alteration in retinal function following AAV2-mediated delivery of CRISPR/Cas components compared to contralateral untreated eyes. CONCLUSIONS: Thy1-YFP transgenic mice were used as a rapid quantifiable means to assess the efficacy of CRISPR/Cas-based retinal gene modification in vivo. We demonstrate that genomic modification of cells in the adult retina can be readily achieved by viral mediated delivery of CRISPR/Cas.

Abstract The internalization of the central nervous system, termed neurulation in vertebrates, is a critical step in embryogenesis. Open questions remain as to how force propels coordinated tissue movement during the process, and little is known as to how internalization happens in invertebrates. We show that in C. elegans morphogenesis, apical constriction in the retracting pharynx drives involution of the adjacent neuroectoderm. Localized HMR-1/Cadherin mediates the inter-tissue attachment, as well as within the neuroectoderm to maintain intratissue cohesion. Our results demonstrate that localized HMR-1 is capable of mediating embryo wide reorganization driven by a centrally located force generator, and indicate a non-canonical use of Cadherin on the basal side of an epithelium that may apply to vertebrate neurulation. Additionally, we highlight shared morphology and gene expression in tissues driving involution, which suggests that neuroectoderm involution in C. elegans is potentially homologous with vertebrate neurulation and thus may help elucidate the evolutionary origin of the brain.

SUMMARY Tauopathies are age-associated neurodegenerative diseases whose mechanistic underpinnings remain elusive, partially due to lack of appropriate human models. Current human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neurons express very low levels of 4-repeat (4R)-tau isoforms that are normally expressed in adult brain. Here, we engineered new iPSC lines to express 4R-tau and 4R-tau carrying the P301S MAPT mutation when differentiated into neurons. 4R-P301S neurons display progressive Tau inclusions upon seeding with Tau fibrils and recapitulate features of tauopathy phenotypes, including shared transcriptomic signatures, autophagic body accumulation, and impaired neuronal activity. A CRISPRi screen of genes associated with Tau pathobiology identified over 500 genetic modifiers of Tau-seeding-induced Tau propagation, including retromer VPS29 and the UFMylation cascade as top modifiers. In AD brains, the UFMylation cascade is altered in neurofibrillary-tangle-bearing neurons. Inhibiting the UFMylation cascade suppressed seeding-induced Tau propagation. This model provides a powerful platform to identify novel therapeutic strategies for 4R tauopathy.

The strongest risk factors for Alzheimer's disease (AD) include the χ4 allele of apolipoprotein E (APOE), the R47H variant of triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2), and female sex. Here, we combine APOE4 and TREM2R47H ( R47H ) in female P301S tauopathy mice to identify the pathways activated when AD risk is the strongest, thereby highlighting disease-causing mechanisms. We find that the R47H variant induces neurodegeneration in female APOE4 mice without impacting hippocampal tau load. The combination of APOE4 and R47H amplified tauopathy-induced cell-autonomous microglial cGAS-STING signaling and type-I interferon response, and interferon signaling converged across glial cell types in the hippocampus. APOE4-R47H microglia displayed cGAS- and BAX-dependent upregulation of senescence, showing association between neurotoxic signatures and implicating mitochondrial permeabilization in pathogenesis. By uncovering pathways enhanced by the strongest AD risk factors, our study points to cGAS-STING signaling and associated microglial senescence as potential drivers of AD risk.