Summary

 Microglia, the CNS-resident immune cells, play important roles in disease, but the spectrum of their possible activation states is not well understood. We derived co-regulated gene modules from transcriptional profiles of CNS myeloid cells of diverse mouse models, including new tauopathy model datasets. Using these modules to interpret single-cell data from an Alzheimer's disease (AD) model, we identified microglial subsets—distinct from previously reported "disease-associated microglia"—expressing interferon-related or proliferation modules. We then analyzed whole-tissue RNA profiles from human neurodegenerative diseases, including a new AD dataset. Correcting for altered cellular composition of AD tissue, we observed elevated expression of the neurodegeneration-related modules, but also modules not implicated using expression profiles from mouse models alone. We provide a searchable, interactive database for exploring gene expression in all these datasets (http://research-pub.gene.com/BrainMyeloidLandscape). Understanding the dimensions of CNS myeloid cell activation in human disease may reveal opportunities for therapeutic intervention.

Synapse loss and Tau pathology are hallmarks of Alzheimer's disease (AD) and other tauopathies, but how Tau pathology causes synapse loss is unclear. We used unbiased proteomic analysis of postsynaptic densities (PSDs) in Tau-P301S transgenic mice to identify Tau-dependent alterations in synapses prior to overt neurodegeneration. Multiple proteins and pathways were altered in Tau-P301S PSDs, including depletion of a set of GTPase-regulatory proteins that leads to actin cytoskeletal defects and loss of dendritic spines. Furthermore, we found striking accumulation of complement C1q in the PSDs of Tau-P301S mice and AD patients. At synapses, C1q decorated perisynaptic membranes, accumulated in correlation with phospho-Tau, and was associated with augmented microglial engulfment of synapses and decline of synapse density. A C1q-blocking antibody inhibited microglial synapse removal in cultured neurons and in Tau-P301S mice, rescuing synapse density. Thus, inhibiting complement-mediated synapse removal by microglia could be a potential therapeutic target for Tau-associated neurodegeneration.

Complement pathway overactivation can lead to neuronal damage in various neurological diseases. Although Alzheimer's disease (AD) is characterized by β-amyloid plaques and tau tangles, previous work examining complement has largely focused on amyloidosis models. We find that glial cells show increased expression of classical complement components and the central component C3 in mouse models of amyloidosis (PS2APP) and more extensively tauopathy (TauP301S). Blocking complement function by deleting C3 rescues plaque-associated synapse loss in PS2APP mice and ameliorates neuron loss and brain atrophy in TauP301S mice, improving neurophysiological and behavioral measurements. In addition, C3 protein is elevated in AD patient brains, including at synapses, and levels and processing of C3 are increased in AD patient CSF and correlate with tau. These results demonstrate that complement activation contributes to neurodegeneration caused by tau pathology and suggest that blocking C3 function might be protective in AD and other tauopathies.

A common approach to understanding neurodegenerative disease is comparing gene expression in diseased versus healthy tissues. We illustrate that expression profiles derived from whole tissue RNA highly reflect the degenerating tissues' altered cellular composition, not necessarily transcriptional regulation. To accurately understand transcriptional changes that accompany neuropathology, we acutely purify neurons, astrocytes and microglia from single adult mouse brains and analyse their transcriptomes by RNA sequencing. Using peripheral endotoxemia to establish the method, we reveal highly specific transcriptional responses and altered RNA processing in each cell type, with Tnfr1 required for the astrocytic response. Extending the method to an Alzheimer's disease model, we confirm that transcriptomic changes observed in whole tissue are driven primarily by cell type composition, not transcriptional regulation, and identify hundreds of cell type-specific changes undetected in whole tissue RNA. Applying similar methods to additional models and patient tissues will transform our understanding of aberrant gene expression in neurological disease.

Damage-associated microglia (DAM) profiles observed in Alzheimer's disease (AD)-related mouse models reflect an activation state that could modulate AD risk or progression. To learn whether human AD microglia (HAM) display a similar profile, we develop a method for purifying cell types from frozen cerebrocortical tissues for RNA-seq analysis, allowing better transcriptome coverage than typical single-nucleus RNA-seq approaches. The HAM profile we observe bears little resemblance to the DAM profile. Instead, HAM display an enhanced human aging profile, in addition to other disease-related changes such as APOE upregulation. Analyses of whole-tissue RNA-seq and single-cell/nucleus RNA-seq datasets corroborate our findings and suggest that the lack of DAM response in human microglia occurs specifically in AD tissues, not other neurodegenerative settings. These results, which can be browsed at http://research-pub.gene.com/BrainMyeloidLandscape, provide a genome-wide picture of microglial activation in human AD and highlight considerable differences between mouse models and human disease.

Gene expression changes in brain microglia from mouse models of Alzheimer's disease (AD) are highly characterized and reflect specific myeloid cell activation states that could modulate AD risk or progression. While some groups have produced valuable expression profiles for human brain cells, the cellular clarity with which we now view transcriptional responses in mouse AD models has not yet been realized for human AD tissues due to limited availability of fresh tissue samples and technological hurdles of recovering transcriptomic data with cell-type resolution from frozen samples. We developed a novel method for isolating multiple cell types from frozen post-mortem specimens of superior frontal gyrus for RNA-Seq and identified 66 genes differentially expressed between AD and control subjects in the myeloid cell compartment. Myeloid cells sorted from fusiform gyrus of the same subjects showed similar changes, and whole tissue RNA analyses further corroborated our findings. The changes we observed did not resemble the "damage-associated microglia" (DAM) profile described in mouse AD models, or other known activation states from other disease models. Instead, roughly half of the changes were consistent with an "enhanced human aging" phenotype, whereas the other half, including the AD risk gene APOE, were altered in AD myeloid cells but not differentially expressed with age. We refer to this novel profile in [h]uman [A]lzheimer's [m]icroglia/myeloid cells as the HAM signature. These results, which can be browsed at research-pub.gene.com/BrainMyeloidLandscape/reviewVersion, highlight considerable differences between myeloid activation in mouse models and human disease, and provide a genome-wide picture of brain myeloid activation in human AD.