Alzheimer's disease (AD) is associated with regional reductions in fluorodeoxyglucose positron emission tomography (FDG PET) measurements of the cerebral metabolic rate for glucose, which may begin long before the onset of histopathological or clinical features, especially in carriers of a common AD susceptibility gene. Molecular evaluation of cells from metabolically affected brain regions could provide new information about the pathogenesis of AD and new targets at which to aim disease-slowing and prevention therapies. Data from a genome-wide transcriptomic study were used to compare the expression of 80 metabolically relevant nuclear genes from laser-capture microdissected non-tangle-bearing neurons from autopsy brains of AD cases and normal controls in posterior cingulate cortex, which is metabolically affected in the earliest stages; other brain regions metabolically affected in PET studies of AD or normal aging; and visual cortex, which is relatively spared. Compared with controls, AD cases had significantly lower expression of 70% of the nuclear genes encoding subunits of the mitochondrial electron transport chain in posterior cingulate cortex, 65% of those in the middle temporal gyrus, 61% of those in hippocampal CA1, 23% of those in entorhinal cortex, 16% of those in visual cortex, and 5% of those in the superior frontal gyrus. Western blots confirmed underexpression of those complex I–V subunits assessed at the protein level. Cerebral metabolic rate for glucose abnormalities in FDG PET studies of AD may be associated with reduced neuronal expression of nuclear genes encoding subunits of the mitochondrial electron transport chain.

The apolipoprotein E (APOE) ɛ4 allele is the best established genetic risk factor for late-onset Alzheimer's disease (LOAD). We conducted genome-wide surveys of 502,627 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) to characterize and confirm other LOAD susceptibility genes. In ɛ4 carriers from neuropathologically verified discovery, neuropathologically verified replication, and clinically characterized replication cohorts of 1411 cases and controls, LOAD was associated with six SNPs from the GRB-associated binding protein 2 (GAB2) gene and a common haplotype encompassing the entire GAB2 gene. SNP rs2373115 (p = 9 × 10−11) was associated with an odds ratio of 4.06 (confidence interval 2.81–14.69), which interacts with APOE ɛ4 to further modify risk. GAB2 was overexpressed in pathologically vulnerable neurons; the Gab2 protein was detected in neurons, tangle-bearing neurons, and dystrophic neuritis; and interference with GAB2 gene expression increased tau phosphorylation. Our findings suggest that GAB2 modifies LOAD risk in APOE ɛ4 carriers and influences Alzheimer's neuropathology.

Epigenetic dysregulation of gene expression is thought to be critically involved in the pathophysiology of Alzheimer's disease (AD). Recent studies indicate that DNA methylation and DNA hydroxymethylation are 2 important epigenetic mechanisms that regulate gene expression in the aging brain. However, very little is known about the levels of markers of DNA methylation and hydroxymethylation in the brains of patients with AD, the cell-type specificity of putative AD-related alterations in these markers, as well as the link between epigenetic alterations and the gross pathology of AD. The present quantitative immunohistochemical study investigated the levels of the 2 most important markers of DNA methylation and hydroxymethylation, that is, 5-methylcytidine (5-mC) and 5-hydroxymethylcytidine (5-hmC), in the hippocampus of AD patients (n = 10) and compared these to non-demented, age-matched controls (n = 10). In addition, the levels of 5-hmC in the hippocampus of a pair of monozygotic twins discordant for AD were assessed. The levels of 5-mC and 5-hmC were furthermore analyzed in a cell-type and hippocampal subregion–specific manner, and were correlated with amyloid plaque load and neurofibrillary tangle load. The results showed robust decreases in the hippocampal levels of 5-mC and 5-hmC in AD patients (19.6% and 20.2%, respectively). Similar results were obtained for the twin with AD when compared to the non-demented co-twin. Moreover, levels of 5-mC as well as the levels of 5-hmC showed a significant negative correlation with amyloid plaque load in the hippocampus (rp = −0.539, p = 0.021 for 5-mC and rp = −0.558, p = 0.016 for 5-hmC). These human postmortem results thus strengthen the notion that AD is associated with alterations in DNA methylation and hydroxymethylation, and provide a basis for further epigenetic studies identifying the exact genetic loci with aberrant epigenetic signatures.

DNA methylation is a vital component of the epigenetic machinery that orchestrates changes in multiple genes and helps regulate gene expression in all known vertebrates. We evaluated immunoreactivity for two markers of DNA methylation and eight methylation maintenance factors in entorhinal cortex layer II, a region exhibiting substantial Alzheimer's disease (AD) pathology in which expression changes have been reported for a wide variety of genes. We show, for the first time, neuronal immunoreactivity for all 10 of the epigenetic markers and factors, with highly significant decrements in AD cases. These decrements were particularly marked in PHF1/PS396 immunoreactive, neurofibrillary tangle-bearing neurons. In addition, two of the DNA methylation maintenance factors, DNMT1 and MBD2, have been reported also to interact with ribosomal RNAs and ribosome synthesis. Consistent with these findings, DNMT1 and MBD2, as well as p66α, exhibited punctate cytoplasmic immunoreactivity that co-localized with the ribosome markers RPL26 and 5.8s rRNA in ND neurons. By contrast, AD neurons generally lacked such staining, and there was a qualitative decrease in RPL26 and 5.8s rRNA immunoreactivity. Collectively, these findings suggest epigenetic dysfunction in AD-vulnerable neurons.

Phagocytosis controls CNS homeostasis by facilitating the removal of unwanted cellular debris. Accordingly, impairments in different receptors or proteins involved in phagocytosis result in enhanced inflammation and neurodegeneration. While various studies have identified extrinsic factors that modulate phagocytosis in health and disease, key intracellular regulators are less understood. Here we show that the autophagy protein beclin 1 is required for efficient phagocytosis in vitro and in mouse brains. Furthermore, we show that beclin 1-mediated impairments in phagocytosis are associated with dysfunctional recruitment of retromer to phagosomal membranes, reduced retromer levels, and impaired recycling of phagocytic receptors CD36 and Trem2. Interestingly, microglia isolated from human Alzheimer’s disease (AD) brains show significantly reduced beclin 1 and retromer protein levels. These findings position beclin 1 as a link between autophagy, retromer trafficking, and receptor-mediated phagocytosis and provide insight into mechanisms by which phagocytosis is regulated and how it may become impaired in AD.

DNA methylation [1], [2] is capable of modulating coordinate expression of large numbers of genes across many different pathways, and may therefore warrant investigation for their potential role between genes and disease phenotype. In a rare set of monozygotic twins discordant for Alzheimer's disease (AD), significantly reduced levels of DNA methylation were observed in temporal neocortex neuronal nuclei of the AD twin. These findings are consistent with the hypothesis that epigenetic mechanisms may mediate at the molecular level the effects of life events on AD risk, and provide, for the first time, a potential explanation for AD discordance despite genetic similarities.

Alzheimer's Disease (AD) is the most widespread form of dementia during the later stages of life. If improved therapeutics are not developed, the prevalence of AD will drastically increase in the coming years as the world's population ages. By identifying differences in neuronal gene expression profiles between healthy elderly persons and individuals diagnosed with AD, we may be able to better understand the molecular mechanisms that drive AD pathogenesis, including the formation of amyloid plaques and neurofibrillary tangles. In this study, we expression profiled histopathologically normal cortical neurons collected with laser capture microdissection (LCM) from six anatomically and functionally discrete postmortem brain regions in 34 AD-afflicted individuals, using Affymetrix Human Genome U133 Plus 2.0 microarrays. These regions include the entorhinal cortex, hippocampus, middle temporal gyrus, posterior cingulate cortex, superior frontal gyrus, and primary visual cortex. This study is predicated on previous parallel research on the postmortem brains of the same six regions in 14 healthy elderly individuals, for which LCM neurons were similarly processed for expression analysis. We identified significant regional differential expression in AD brains compared with control brains including expression changes of genes previously implicated in AD pathogenesis, particularly with regard to tangle and plaque formation. Pinpointing the expression of factors that may play a role in AD pathogenesis provides a foundation for future identification of new targets for improved AD therapeutics. We provide this carefully phenotyped, laser capture microdissected intraindividual brain region expression data set to the community as a public resource.

ABSTRACT Epigenome-wide association studies of Alzheimer’s disease have highlighted neuropathology-associated DNA methylation differences, although existing studies have been limited in sample size and utilized different brain regions. Here, we combine data from six DNA methylomic studies of Alzheimer’s disease (N=1,453 unique individuals) to identify differential methylation associated with Braak stage in different brain regions and across cortex. We identify 236 CpGs in the prefrontal cortex, 95 CpGs in the temporal gyrus and ten CpGs in the entorhinal cortex at Bonferroni significance, with none in the cerebellum. Our cross-cortex meta-analysis (N=1,408 donors) identifies 220 CpGs associated with neuropathology, annotated to 121 genes, of which 84 genes have not been previously reported at this significance threshold. We have replicated our findings using two further DNA methylomic datasets consisting of a further > 600 unique donors. The meta-analysis summary statistics are available in our online data resource ( www.epigenomicslab.com/ad-meta-analysis/ ).

Abstract The emergence of technologies that can support high-throughput profiling of single cell transcriptomes offers to revolutionize the study of brain tissue from persons with and without Alzheimer’s disease (AD). Integration of these data with additional complementary multiomics data such as genetics, proteomics and clinical data provides powerful opportunities to link observed cell subpopulations and molecular network features within a broader disease-relevant context. We report here single nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) profiles generated from superior frontal gyrus cortical tissue samples from 101 exceptionally well characterized, aged subjects from the Banner Brain and Body Donation Program in combination with whole genome sequences. We report findings that link common AD risk variants with CR1 expression in oligodendrocytes as well as alterations in peripheral hematological lab parameters, with these observations replicated in an independent, prospective cohort study of ageing and dementia. We also observed an AD-associated CD83(+) microglial subtype with unique molecular networks that encompass many known regulators of AD-relevant microglial biology, and which are associated with immunoglobulin IgG4 production in the transverse colon. These findings illustrate the power of multi-tissue molecular profiling to contextualize snRNA-seq brain transcriptomics and reveal novel disease biology. The transcriptomic, genetic, phenotypic, and network data resources described within this study are available for access and utilization by the scientific community.

Summary Alzheimer’s disease (AD) is characterized by the appearance of amyloid-β plaques, neurofibrillary tangles, and inflammation in brain regions involved in memory. Using mass spectrometry, we have quantified the phosphoproteome of the CK-p25, 5XFAD, and Tau P301S mouse models of neurodegeneration. We identified a shared response involving Siglec-F which was upregulated on a subset of reactive microglia. The human paralog Siglec-8 was also upregulated on microglia in AD. Siglec-F and Siglec-8 were upregulated following microglial activation with interferon gamma (IFNγ) in BV-2 cell line and human stem-cell derived microglia models. Siglec-F overexpression activates an endocytic and pyroptotic inflammatory response in BV-2 cells, dependent on its sialic acid substrates and immunoreceptor tyrosine-based inhibition motif (ITIM) phosphorylation sites. Related human Siglecs induced a similar response in BV-2 cells. Collectively, our results point to an important role for mouse Siglec-F and human Siglec-8 in regulating microglial activation during neurodegeneration. Highlights Phosphoproteomics analysis of CK-p25, 5XFAD, and Tau P301S mouse models finds dysregulated signaling networks associated with Alzheimer’s disease pathologies. A phosphorylation site on Siglec-F is found to be upregulated across all three models of disease. Expression of Siglec-F and its human paralog Siglec-8 is increased in reactive microglia. Overexpression of Siglec-F and Siglec-8 in vitro drives an endocytic and pyroptotic inflammatory response. In Brief Phosphoproteome signaling changes associated with Alzheimer’s disease (AD) are poorly characterized. Here, Morshed et al. apply phosphoproteomics to mouse models of AD to uncover a novel microglial receptor, Siglec-F, that is upregulated on a subset of inflammatory microglia across models of neurodegeneration. The human paralog, Siglec-8 is also found to be upregulated in late-onset AD microglia. Overexpression of Siglec-F and related human Siglecs activates pro-inflammatory signaling responses in BV-2 cells.