Alzheimer’s disease is the most common neurodegenerative disease, and there are no mechanism-based therapies. The disease is defined by the presence of abundant neurofibrillary lesions and neuritic plaques in the cerebral cortex. Neurofibrillary lesions comprise paired helical and straight tau filaments, whereas tau filaments with different morphologies characterize other neurodegenerative diseases. No high-resolution structures of tau filaments are available. Here we present cryo-electron microscopy (cryo-EM) maps at 3.4–3.5 Å resolution and corresponding atomic models of paired helical and straight filaments from the brain of an individual with Alzheimer’s disease. Filament cores are made of two identical protofilaments comprising residues 306–378 of tau protein, which adopt a combined cross-β/β-helix structure and define the seed for tau aggregation. Paired helical and straight filaments differ in their inter-protofilament packing, showing that they are ultrastructural polymorphs. These findings demonstrate that cryo-EM allows atomic characterization of amyloid filaments from patient-derived material, and pave the way for investigation of a range of neurodegenerative diseases. High-resolution structures of tau filaments shed light on the ultrastructure of neurofibrillary lesions in Alzheimer’s disease. Alzheimer's disease is defined by the presence of abundant neurofibrillary lesions and neuritic plaques in the cerebral cortex. The lesions are made of paired helical and straight tau filaments (PHFs and SFs, respectively). Different tau filaments characterize other neurodegenerative diseases, suggesting that molecular conformers of aggregated tau underlie human tauopathies. No high-resolution structures of tau filaments are currently available. Here, Sjors Scheres and colleagues present cryo-electron microscopy (cryo-EM) maps at 3.5 Å resolution and corresponding atomic models of PHFs and SFs from the brain of an individual with Alzheimer's disease. Their results show that cryo-EM enables atomic characterization of amyloid filaments from patient-derived material and could be used to study a range of neurodegenerative diseases.

The ordered assembly of tau protein into abnormal filamentous inclusions underlies many human neurodegenerative diseases1. Tau assemblies seem to spread through specific neural networks in each disease2, with short filaments having the greatest seeding activity3. The abundance of tau inclusions strongly correlates with disease symptoms4. Six tau isoforms are expressed in the normal adult human brain—three isoforms with four microtubule-binding repeats each (4R tau) and three isoforms that lack the second repeat (3R tau)1. In various diseases, tau filaments can be composed of either 3R or 4R tau, or of both. Tau filaments have distinct cellular and neuroanatomical distributions5, with morphological and biochemical differences suggesting that they may be able to adopt disease-specific molecular conformations6,7. Such conformers may give rise to different neuropathological phenotypes8,9, reminiscent of prion strains10. However, the underlying structures are not known. Using electron cryo-microscopy, we recently reported the structures of tau filaments from patients with Alzheimer’s disease, which contain both 3R and 4R tau11. Here we determine the structures of tau filaments from patients with Pick’s disease, a neurodegenerative disorder characterized by frontotemporal dementia. The filaments consist of residues Lys254–Phe378 of 3R tau, which are folded differently from the tau filaments in Alzheimer’s disease, establishing the existence of conformers of assembled tau. The observed tau fold in the filaments of patients with Pick’s disease explains the selective incorporation of 3R tau in Pick bodies, and the differences in phosphorylation relative to the tau filaments of Alzheimer’s disease. Our findings show how tau can adopt distinct folds in the human brain in different diseases, an essential step for understanding the formation and propagation of molecular conformers. The structures of tau filaments from patients with the neurodegenerative disorder Pick’s disease show that the filament fold is different from that of the tau filaments found in Alzheimer’s disease.

Chronic traumatic encephalopathy (CTE) is a neurodegenerative tauopathy that is associated with repetitive head impacts or exposure to blast waves. First described as punch-drunk syndrome and dementia pugilistica in retired boxers1-3, CTE has since been identified in former participants of other contact sports, ex-military personnel and after physical abuse4-7. No disease-modifying therapies currently exist, and diagnosis requires an autopsy. CTE is defined by an abundance of hyperphosphorylated tau protein in neurons, astrocytes and cell processes around blood vessels8,9. This, together with the accumulation of tau inclusions in cortical layers II and III, distinguishes CTE from Alzheimer's disease and other tauopathies10,11. However, the morphologies of tau filaments in CTE and the mechanisms by which brain trauma can lead to their formation are unknown. Here we determine the structures of tau filaments from the brains of three individuals with CTE at resolutions down to 2.3 Å, using cryo-electron microscopy. We show that filament structures are identical in the three cases but are distinct from those of Alzheimer's and Pick's diseases, and from those formed in vitro12-15. Similar to Alzheimer's disease12,14,16-18, all six brain tau isoforms assemble into filaments in CTE, and residues K274-R379 of three-repeat tau and S305-R379 of four-repeat tau form the ordered core of two identical C-shaped protofilaments. However, a different conformation of the β-helix region creates a hydrophobic cavity that is absent in tau filaments from the brains of patients with Alzheimer's disease. This cavity encloses an additional density that is not connected to tau, which suggests that the incorporation of cofactors may have a role in tau aggregation in CTE. Moreover, filaments in CTE have distinct protofilament interfaces to those of Alzheimer's disease. Our structures provide a unifying neuropathological criterion for CTE, and support the hypothesis that the formation and propagation of distinct conformers of assembled tau underlie different neurodegenerative diseases.

The ordered assembly of tau protein into filaments characterizes several neurodegenerative diseases, which are called tauopathies. It was previously reported that, by cryo-electron microscopy, the structures of tau filaments from Alzheimer's disease1,2, Pick's disease3, chronic traumatic encephalopathy4 and corticobasal degeneration5 are distinct. Here we show that the structures of tau filaments from progressive supranuclear palsy (PSP) define a new three-layered fold. Moreover, the structures of tau filaments from globular glial tauopathy are similar to those from PSP. The tau filament fold of argyrophilic grain disease (AGD) differs, instead resembling the four-layered fold of corticobasal degeneration. The AGD fold is also observed in ageing-related tau astrogliopathy. Tau protofilament structures from inherited cases of mutations at positions +3 or +16 in intron 10 of MAPT (the microtubule-associated protein tau gene) are also identical to those from AGD, suggesting that relative overproduction of four-repeat tau can give rise to the AGD fold. Finally, the structures of tau filaments from cases of familial British dementia and familial Danish dementia are the same as those from cases of Alzheimer's disease and primary age-related tauopathy. These findings suggest a hierarchical classification of tauopathies on the basis of their filament folds, which complements clinical diagnosis and neuropathology and also allows the identification of new entities-as we show for a case diagnosed as PSP, but with filament structures that are intermediate between those of globular glial tauopathy and PSP.

Corticobasal degeneration (CBD) is a neurodegenerative tauopathy—a class of disorders in which the tau protein forms insoluble inclusions in the brain—that is characterized by motor and cognitive disturbances1–3. The H1 haplotype of MAPT (the tau gene) is present in cases of CBD at a higher frequency than in controls4,5, and genome-wide association studies have identified additional risk factors6. By histology, astrocytic plaques are diagnostic of CBD7,8; by SDS–PAGE, so too are detergent-insoluble, 37 kDa fragments of tau9. Like progressive supranuclear palsy, globular glial tauopathy and argyrophilic grain disease10, CBD is characterized by abundant filamentous tau inclusions that are made of isoforms with four microtubule-binding repeats11–15. This distinguishes such ‘4R’ tauopathies from Pick’s disease (the filaments of which are made of three-repeat (3R) tau isoforms) and from Alzheimer’s disease and chronic traumatic encephalopathy (CTE) (in which both 3R and 4R isoforms are found in the filaments)16. Here we use cryo-electron microscopy to analyse the structures of tau filaments extracted from the brains of three individuals with CBD. These filaments were identical between cases, but distinct from those seen in Alzheimer’s disease, Pick’s disease and CTE17–19. The core of a CBD filament comprises residues lysine 274 to glutamate 380 of tau, spanning the last residue of the R1 repeat, the whole of the R2, R3 and R4 repeats, and 12 amino acids after R4. The core adopts a previously unseen four-layered fold, which encloses a large nonproteinaceous density. This density is surrounded by the side chains of lysine residues 290 and 294 from R2 and lysine 370 from the sequence after R4. Cyro-electron microscopy of tau filaments from people with corticobasal degeneration reveals a previously unseen four-layered fold, distinct from the filament structures seen in Alzheimer’s disease, Pick’s disease and chronic traumatic encephalopathy.

Autosomal dominant hypophosphatemic rickets (ADHR) is unique among the disorders involving Fibroblast growth factor 23 (FGF23) because individuals with R176Q/W and R179Q/W mutations in the FGF23 176 RXXR 179 /S 180 proteolytic cleavage motif can cycle from unaffected status to delayed onset of disease. This onset may occur in physiological states associated with iron deficiency, including puberty and pregnancy. To test the role of iron status in development of the ADHR phenotype, WT and R176Q-Fgf23 knock-in (ADHR) mice were placed on control or low-iron diets. Both the WT and ADHR mice receiving low-iron diet had significantly elevated bone Fgf23 mRNA. WT mice on a low-iron diet maintained normal serum intact Fgf23 and phosphate metabolism, with elevated serum C-terminal Fgf23 fragments. In contrast, the ADHR mice on the low-iron diet had elevated intact and C-terminal Fgf23 with hypophosphatemic osteomalacia. We used in vitro iron chelation to isolate the effects of iron deficiency on Fgf23 expression. We found that iron chelation in vitro resulted in a significant increase in Fgf23 mRNA that was dependent upon Mapk. Thus, unlike other syndromes of elevated FGF23, our findings support the concept that late-onset ADHR is the product of gene–environment interactions whereby the combined presence of an Fgf23-stabilizing mutation and iron deficiency can lead to ADHR.

Hi-res view of human Aβ42 filaments Alzheimer’s disease is characterized by a loss of memory and other cognitive functions and the filamentous assembly of Aβ and tau in the brain. The assembly of Aβ peptides into filaments that end at residue 42 is a central event. Yang et al . used electron cryo–electron microscopy to determine the structures of Aβ42 filaments from human brain (see the Perspective by Willem and Fändrich). They identified two types of related S-shaped filaments, each consisting of two identical protofilaments. These structures will inform the development of better in vitro and animal models, inhibitors of Aβ42 assembly, and imaging agents with increased specificity and sensitivity. —SMH

The ordered assembly of tau protein into abnormal filaments is a defining characteristic of Alzheimer's disease (AD) and other neurodegenerative disorders. It is not known if the structures of tau filaments vary within, or between, the brains of individuals with AD. We used a combination of electron cryo-microscopy (cryo-EM) and immuno-gold negative-stain electron microscopy (immuno-EM) to determine the structures of paired helical filaments (PHFs) and straight filaments (SFs) from the frontal cortex of 17 cases of AD (15 sporadic and 2 inherited) and 2 cases of atypical AD (posterior cortical atrophy). The high-resolution structures of PHFs and SFs from the frontal cortex of 3 cases of AD, 2 sporadic and 1 inherited, were determined by cryo-EM. We also used immuno-EM to study the PHFs and SFs from a number of cortical and subcortical brain regions. PHFs outnumbered SFs in all AD cases. By cryo-EM, PHFs and SFs were made of two C-shaped protofilaments with a combined cross-β/β-helix structure, as described previously for one case of AD. The higher resolution structures obtained here showed two additional amino acids at each end of the protofilament. The immuno-EM findings, which indicated the presence of repeats 3 and 4, but not of the N-terminal regions of repeats 1 and 2, of tau in the filament cores of all AD cases, were consistent with the cryo-EM results. These findings show that there is no significant variation in tau filament structures between individuals with AD. This knowledge will be crucial for understanding the mechanisms that underlie tau filament formation and for developing novel diagnostics and therapies.

ABSTRACT Ordered assembly of the tau protein into filaments characterizes multiple neurodegenerative diseases, which are called tauopathies. We previously reported that by electron cryo-microscopy (cryo-EM), tau filament structures from Alzheimer’s disease (1,2), chronic traumatic encephalopathy (CTE) (3), Pick’s disease (4) and corticobasal degeneration (CBD) (5) are distinct. Here we show that the structures of tau filaments from typical and atypical progressive supranuclear palsy (PSP), the most common tauopathy after Alzheimer’s disease, define a previously unknown, three-layered fold. Moreover, the tau filament structures from globular glial tauopathy (GGT, Types I and II) are similar to those from PSP. The tau filament fold of argyrophilic grain disease (AGD) differs from the above and resembles the four-layered CBD fold. The majority of tau filaments from aging-related tau astrogliopathy (ARTAG) also have the AGD fold. Surprisingly, tau protofilament structures from inherited cases with mutations +3/+16 in intron 10 of MAPT , the microtubule-associated protein tau gene, are identical to those from AGD, suggesting that a relative overproduction of four-repeat tau can give rise to the AGD fold. Finally, tau filament structures from cases of familial British dementia (FBD) and familial Danish dementia (FDD) are the same as those from Alzheimer’s disease and primary age-related tauopathy (PART). These structures provide the basis for a classification of tauopathies that also allows identification of new entities, as we show here for a case diagnosed as PSP, but with abundant spherical 4R tau inclusions in limbic and other brain areas. The structures of the tau fold of this new disease (Limbic-predominant Neuronal inclusion body 4R Tauopathy, LNT) were intermediate between those of GGT and PSP.