To explore mechanisms through which altered peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1alpha (PGC-1alpha) expression may influence Alzheimer disease (AD) amyloid neuropathology and to test the hypothesis that promotion of PGC-1alpha expression in neurons might be developed as a novel therapeutic strategy in AD.Case-control. Patients Human postmortem brain (hippocampal formation) samples from AD cases and age-matched non-AD cases.Using genome-wide complementary DNA microarray analysis, we found that PGC-1alpha messenger RNA expression was significantly decreased as a function of progression of clinical dementia in the AD brain. Following confirmatory real-time polymerase chain reaction assay, we continued to explore the role of PGC-1alpha in clinical dementia and found that PGC-1alpha protein content was negatively associated with both AD-type neuritic plaque pathology and beta-amyloid (Abeta)(X-42) contents. Moreover, we found that the predicted elevation of amyloidogenic Abeta(1-42) and Abeta(1-40) peptide accumulation in embryonic cortico-hippocampal neurons derived from Tg2576 AD mice under hyperglycemic conditions (glucose level, 182-273 mg/dL) coincided with a dose-dependent attenuation in PGC-1alpha expression. Most importantly, we found that the reconstitution of exogenous PGC-1alpha expression in Tg2576 neurons attenuated the hyperglycemic-mediated beta-amyloidogenesis through mechanisms involving the promotion of the "nonamyloidogenic" alpha-secretase processing of amyloid precursor protein through the attenuation of the forkheadlike transcription factor 1 (FoxO3a) expression.Therapeutic preservation of neuronal PGC-1alpha expression promotes the nonamyloidogenic processing of amyloid precursor protein precluding the generation of amyloidogenic Abeta peptides.

Alzheimer’s disease has a higher incidence in older women, with a spike in cognitive decline that tracks with visceral adiposity, dysregulated energy homeostasis and bone loss during the menopausal transition1,2. Inhibiting the action of follicle-stimulating hormone (FSH) reduces body fat, enhances thermogenesis, increases bone mass and lowers serum cholesterol in mice3–7. Here we show that FSH acts directly on hippocampal and cortical neurons to accelerate amyloid-β and Tau deposition and impair cognition in mice displaying features of Alzheimer’s disease. Blocking FSH action in these mice abrogates the Alzheimer’s disease-like phenotype by inhibiting the neuronal C/EBPβ–δ-secretase pathway. These data not only suggest a causal role for rising serum FSH levels in the exaggerated Alzheimer’s disease pathophysiology during menopause, but also reveal an opportunity for treating Alzheimer’s disease, obesity, osteoporosis and dyslipidaemia with a single FSH-blocking agent. Follicle-stimulating hormone acts directly on hippocampal and cortical neurons to accelerate amyloid-β and Tau deposition and impair cognition in mice displaying features of Alzheimer’s disease.

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 Though discovered over 100 years ago, the molecular foundation of sporadic Alzheimer’s disease (AD) remains elusive. To elucidate its complex nature, we constructed multiscale causal network models on a large human AD multi-omics dataset, integrating clinical features of AD, DNA variation, and gene and protein expression into probabilistic causal models that enabled detection and prioritization of high-confidence key drivers of AD, including the top predicted key driver VGF. Overexpression of neuropeptide precursor VGF in 5xFAD mice partially rescued beta-amyloid-mediated memory impairment and neuropathology. Molecular validation of network predictions downstream of VGF was achieved, with significant enrichment for homologous genes identified as differentially expressed in 5xFAD brains overexpressing VGF versus controls. Our findings support a causal and/or protective role for VGF in AD pathogenesis and progression. One sentence summary VGF protects against Alzheimer’s disease

Abstract Much is still unknown about the neurobiology of Alzheimer’s disease (AD). To better understand AD, we generated 636 ATAC-seq libraries from cases and controls to construct detailed genomewide chromatin accessibility maps of neurons and non-neurons from two AD-affected brain regions, the entorhinal cortex and superior temporal gyrus. By analyzing a total of 19.6 billion read pairs, we expanded the known repertoire of regulatory sequences in the human brain. Multi-omic data integration associated global patterns of chromatin accessibility with gene expression and identified cell-specific enhancer-promoter interactions. Using inter-individual variation in chromatin accessibility, we define cis -regulatory domains capturing the 3D structure of the genome. Multifaceted analyses uncovered disease associated perturbations impacting chromatin accessibility, transcription factor regulatory networks and the 3D genome, and implicated transcriptional dysregulation in AD. Overall, we applied a systematic approach to understand the role of the 3D genome in AD and to illuminate novel disease biology that can advance diagnosis and therapy.

Abstract Our understanding of the biological changes in the brain associated with Alzheimer’s disease (AD) pathology and cognitive impairment remains incomplete. To increase our understanding of these changes, we analyzed dorsolateral prefrontal cortex of control, asymptomatic AD, and AD brains from four different centers by label-free quantitative mass spectrometry and weighted protein co-expression analysis to obtain a consensus protein co-expression network of AD brain. This network consisted of 13 protein co-expression modules. Six of these modules correlated with amyloid-β plaque burden, tau neurofibrillary tangle burden, cognitive function, and clinical functional status, and were altered in asymptomatic AD, AD, or in both disease states. These six modules reflected synaptic, mitochondrial, sugar metabolism, extracellular matrix, cytoskeletal, and RNA binding/splicing biological functions. The identified protein network modules were preserved in a community-based cohort analyzed by a different quantitative mass spectrometry approach. They were also preserved in temporal lobe and precuneus brain regions. Some of the modules were influenced by aging, and showed changes in other neurodegenerative diseases such as frontotemporal dementia and corticobasal degeneration. The module most strongly associated with AD pathology and cognitive impairment was the sugar metabolism module. This module was enriched in AD genetic risk factors, and was also highly enriched in microglia and astrocyte protein markers associated with an anti-inflammatory state, suggesting that the biological functions it represents serve a protective role in AD. Proteins from the sugar metabolism module were increased in cerebrospinal fluid from asymptomatic AD and AD cases, highlighting their potential as biomarkers of the altered brain network. In this study of >2000 brains and nearly 400 cerebrospinal fluid samples by quantitative proteomics, we identify proteins and biological processes in AD brain that may serve as therapeutic targets and fluid biomarkers for the disease.

Abstract Identification of risk variants for neuropsychiatric diseases within enhancers underscores the importance of understanding the population-level variation of enhancers in the human brain. Besides regulating tissue- and cell-type-specific transcription of target genes, enhancers themselves can be transcribed. We expanded the catalog of known human brain transcribed enhancers by an order of magnitude by generating and jointly analyzing large-scale cell-type-specific transcriptome and regulome data. Examination of the transcriptome in 1,382 brain samples in two independent cohorts identified robust expression of transcribed enhancers. We explored gene-enhancer coordination and found that enhancer-linked genes are strongly implicated in neuropsychiatric disease. We identified significant expression quantitative trait loci (eQTL) for 25,958 enhancers which mediate 6.8% of schizophrenia heritability, mostly independent from standard gene eQTL. Inclusion of enhancer eQTL in transcriptome-wide association studies enhanced functional interpretation of disease loci. Overall, our study characterizes the enhancer-gene regulome and genetic mechanisms in the human cortex in both healthy and disease states.

Abstract To explore modular organization of chromosomes in schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BD), we applied ‘population-scale’ correlational structuring of 739 histone H3-lysine 27 acetylation and H3-lysine 4 trimethylation profiles, generated from the prefrontal cortex (PFC) of 568 cases and controls. Neuronal histone acetylomes and methylomes assembled as thousands of cis-regulatory domains (CRDs), revealing fine-grained, kilo-to megabase scale chromatin organization at higher resolution but firmly integrated into Hi-C chromosomal conformations. Large clusters of domains that were hyperacetylated in disease shared spatial positioning within the nucleus, predominantly regulating PFC projection neuron function and excitatory neurotransmission. Hypoacetylated domains were linked to inhibitory interneuron- and myelination-relevant genes. Chromosomal modular architecture is affected in SCZ and BD, with hyperacetylated domains showing unexpectedly strong convergences defined by cell type, nuclear topography, genetic risk, and active chromatin state across a wide developmental window.

Abstract Brain region- and cell-specific transcriptomic and epigenomic molecular features are associated with heritability for neuropsychiatric traits, but a systematic view, considering cortical and subcortical regions, is lacking. Here, we provide an atlas of chromatin accessibility and gene expression in neuronal and non-neuronal nuclei across 25 distinct human cortical and subcortical brain regions from 6 neurotypical controls. We identified extensive gene expression and chromatin accessibility differences across brain regions, including variation in alternative promoter-isoform usage and enhancer-promoter interactions. Genes with distinct promoter-isoform usage across brain regions are strongly enriched for neuropsychiatric disease risk variants. Using an integrative approach, we characterized the function of the brain region-specific chromatin co-accessibility and gene-coexpression modules that are robustly associated with genetic risk for neuropsychiatric disorders. In addition, we identified a novel set of genes that is enriched for disease risk variants but is independent of cell-type specific gene expression and known susceptibility pathways. Our results provide a valuable resource for studying molecular regulation across multiple regions of the human brain and suggest a unique contribution of epigenetic modifications from subcortical areas to neuropsychiatric disorders.

Abstract The biological processes that are disrupted in the Alzheimer’s disease (AD) brain remain incompletely understood. We recently performed a proteomic analysis of >2000 brains to better understand these changes, which highlighted alterations in astrocytes and microglia as likely key drivers of disease. Here, we extend this analysis by analyzing >1000 brain tissues using a tandem mass tag mass spectrometry (TMT-MS) pipeline, which allowed us to nearly triple the number of quantified proteins across cases. A consensus protein co-expression network analysis of this deeper dataset revealed new co-expression modules that were highly preserved across cohorts and brain regions, and strongly altered in AD. Nearly half of the protein co-expression modules, including modules significantly altered in AD, were not observed in RNA networks from the same cohorts and brain regions, highlighting the proteopathic nature of AD. Two such AD-associated modules unique to the proteomic network included a module related to MAPK signaling and metabolism, and a module related to the matrisome. Analysis of paired genomic and proteomic data within subjects showed that expression level of the matrisome module was influenced by the APOE ε4 allele, but was not related to the rate of cognitive decline after adjustment for neuropathology. In contrast, the MAPK/metabolism module was strongly associated with the rate of cognitive decline. Disease-associated modules unique to the proteome are sources of promising therapeutic targets and biomarkers for AD.