The apolipoprotein E4 (APOE4) variant is the single greatest genetic risk factor for sporadic Alzheimer’s disease (sAD). However, the cell-type-specific functions of APOE4 in relation to AD pathology remain understudied. Here, we utilize CRISPR/Cas9 and induced pluripotent stem cells (iPSCs) to examine APOE4 effects on human brain cell types. Transcriptional profiling identified hundreds of differentially expressed genes in each cell type, with the most affected involving synaptic function (neurons), lipid metabolism (astrocytes), and immune response (microglia-like cells). APOE4 neurons exhibited increased synapse number and elevated Aβ42 secretion relative to isogenic APOE3 cells while APOE4 astrocytes displayed impaired Aβ uptake and cholesterol accumulation. Notably, APOE4 microglia-like cells exhibited altered morphologies, which correlated with reduced Aβ phagocytosis. Consistently, converting APOE4 to APOE3 in brain cell types from sAD iPSCs was sufficient to attenuate multiple AD-related pathologies. Our study establishes a reference for human cell-type-specific changes associated with the APOE4 variant.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJhMjEwM2U1MTllMDU5ZTU5NzQzNzFiY2ZkYzY2YjFmOCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc3ODM3NDAyfQ.cm_8iE6yPyIUtMA9CHuHdkKCpDzSoengfWtrTwQuK91RUFDu5wgXxv6w0LkGp3xIp4Q5ONl1L-nEkyqiD8y5XsDnNu29a6FOVkKPbcXQ_rWezgdGcufenbm5VD4lQ1jJIc236lH69WCL0EIWXgL49CYD2U02kBteDYs3OdY1fThG2C3slE8IyHEB1o6NHHpsyMLHAmkJEPUA_fNRg-NiC_Jk2khN70bJRGkX4pcIpAoo3inlbuuEHi04BCX2aBnzpTJZyManAMJK6AdyelKmaFWjYH93z-Dp8wadAwqXUIZj2l9ykRD2ucitOOP0XLYH-FJ4t9yO_sESEIZQ6NGSaQ(mp4, (11.59 MB) Download video

Abstract Patient-specific, human-based cellular models that integrate biomimetic BBB, immune, and myelinated neuron components are critically needed to enable translationally relevant and accelerated discovery of neurological disease mechanisms and interventions. By engineering a brain-mimicking 3D hydrogel and co-culturing all six major brain cell types derived from patient iPSCs, we have constructed, characterized, and utilized a multicellular integrated brain (miBrain) immuno-glial-neurovascular model with in vivo- like hallmarks. As proof of principle, here we utilized the miBrain to model Alzheimer’s Disease pathologies associated with APOE4 genetic risk. APOE4 miBrains differentially exhibit amyloid aggregation, tau phosphorylation, and astrocytic GFAP. Unlike the co-emergent fate specification of glia and neurons in organoids, miBrains integrate independently differentiated cell types in a modular system with unique utility for elucidating cell-type specific contributions to pathogenesis. We here harness this feature to identify that risk factor APOE4 in astrocytes promotes tau pathogenesis and neuronal dysregulation through crosstalk with microglia. One-Sentence Summary A novel patient-specific brain model with BBB, neuronal, immune, and glial components was developed, characterized, and harnessed to model Alzheimer’s Disease-associated pathologies and APOE4 genetic risk.

Summary Apolipoprotein E4 (APOE4) is the greatest known genetic risk factor for developing late- onset Alzheimer’s disease and its expression in microglia is associated with pro- inflammatory states. How the interaction of APOE4 microglia with neurons differs from microglia expressing the disease-neutral allele APOE3 is currently unknown. Here, we employ CRISPR-edited induced pluripotent stem cells (iPSCs) to dissect the impact of APOE4 in neuron-microglia communication. Our results reveal that APOE4 induces a distinct metabolic program in microglia that is marked by the accumulation of intracellular neutral lipid stores through impaired lipid catabolism. Importantly, this altered lipid-accumulated state shifts microglia away from homeostatic surveillance and renders APOE4 microglia weakly responsive to neuronal activity. By examining the transcriptional signatures of APOE3 versus APOE4 microglia before and after exposure to neuronal conditioned media, we further established that neuronal soluble cues differentially induce a lipogenic program in APOE4 microglia that exacerbates pro- inflammatory signals. Pharmacological blockade of lipogenesis in APOE4 microglia is sufficient to diminish intracellular lipid accumulation and restore microglial homeostasis. Remarkably, unlike APOE3 microglia that support neuronal network activity, co-culture of APOE4 microglia with neurons disrupts the coordinated activity of neuronal ensembles. We identified that through decreased uptake of extracellular fatty acids and lipoproteins, APOE4 microglia disrupts the net flux of lipids which results in decreased neuronal activity via the potentiation of the lipid-gated K + channel, GIRK3. These findings suggest that neurological diseases that exhibit abnormal neuronal network-level disturbances may in part be triggered by impairment in lipid homeostasis in non-neuronal cells, underscoring a novel therapeutic route to restore circuit function in the diseased brain. Abstract Figure