The gene-regulatory landscape of the brain is highly dynamic in health and disease, coordinating a menagerie of biological processes across distinct cell types. Here, we present a multi-omic single-nucleus study of 191,890 nuclei in late-stage Alzheimer’s disease (AD), accessible through our web portal, profiling chromatin accessibility and gene expression in the same biological samples and uncovering vast cellular heterogeneity. We identified cell-type-specific, disease-associated candidate cis-regulatory elements and their candidate target genes, including an oligodendrocyte-associated regulatory module containing links to APOE and CLU. We describe cis-regulatory relationships in specific cell types at a subset of AD risk loci defined by genome-wide association studies, demonstrating the utility of this multi-omic single-nucleus approach. Trajectory analysis of glial populations identified disease-relevant transcription factors, such as SREBF1, and their regulatory targets. Finally, we introduce single-nucleus consensus weighted gene coexpression analysis, a coexpression network analysis strategy robust to sparse single-cell data, and perform a systems-level analysis of the AD transcriptome. An integrative analysis of single-nucleus assay for transposase-accessible chromatin with sequencing and RNA sequencing in normal and Alzheimer’s disease brain tissue identifies cell-type-specific cis-regulatory elements and candidate target genes at disease-associated loci.

Abstract The pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) depends on environmental and heritable factors, with its molecular etiology still unclear. Here we present a spatial transcriptomic (ST) and single-nucleus transcriptomic survey of late-onset sporadic AD and AD in Down syndrome (DSAD). Studying DSAD provides an opportunity to enhance our understanding of the AD transcriptome, potentially bridging the gap between genetic mouse models and sporadic AD. We identified transcriptomic changes that may underlie cortical layer-preferential pathology accumulation. Spatial co-expression network analyses revealed transient and regionally restricted disease processes, including a glial inflammatory program dysregulated in upper cortical layers and implicated in AD genetic risk and amyloid-associated processes. Cell–cell communication analysis further contextualized this gene program in dysregulated signaling networks. Finally, we generated ST data from an amyloid AD mouse model to identify cross-species amyloid-proximal transcriptomic changes with conformational context.

The pathogenesis of Alzheimer's disease (AD) depends on environmental and heritable factors, with remarkable differences evident between individuals at the molecular level. Here we present a transcriptomic survey of AD using spatial transcriptomics (ST) and single-nucleus RNA-seq in cortical samples from early-stage AD, late-stage AD, and AD in Down Syndrome (AD in DS) donors. Studying AD in DS provides an opportunity to enhance our understanding of the AD transcriptome, potentially bridging the gap between genetic mouse models and sporadic AD. Our analysis revealed spatial and cell-type specific changes in disease, with broad similarities in these changes between sAD and AD in DS. We performed additional ST experiments in a disease timecourse of 5xFAD and wildtype mice to facilitate cross-species comparisons. Finally, amyloid plaque and fibril imaging in the same tissue samples used for ST enabled us to directly link changes in gene expression with accumulation and spread of pathology.

ABSTRACT Antibodies that target the β-amyloid peptide (Aβ) and its associated assemblies are important tools in Alzheimer’s disease research and have emerged as promising Alzheimer’s disease therapies. This paper reports the creation and characterization of a triangular Aβ trimer mimic composed of Aβ l7-36 β-hairpins, and the generation and study of polyclonal antibodies raised against the Aβ trimer mimic. The Aβ trimer mimic is covalently stabilized by three disulfide bonds at the corners of the triangular trimer to create a homogeneous oligomer. Structural, biophysical, and cell-based studies demonstrate that the Aβ trimer mimic shares characteristics with oligomers of full-length Aβ: X-ray crystallography elucidates the high-resolution structure of the trimer and reveals that four copies of the trimer assemble to form a dodecamer; SDS-PAGE, size exclusion chromatography, and dynamic light scattering reveal that the trimer also forms higher-order assemblies in solution; cell-based toxicity assays show that the trimer elicits LDH release, decreases ATP levels, and activates caspase-3/7 mediated apoptosis. Tmmunostaining studies on brain slices from people who lived with Alzheimer’s disease as well as people who lived with Down syndrome reveal that the polyclonal antibodies raised against the Aβ trimer mimic recognize pathological features including different types of Aβ plaques and cerebral amyloid angiopathy. These findings suggest that the triangular trimer structural motif is important in Alzheimer’s disease and may thus constitute a new structurally defined molecular target for diagnostic and therapy development. SYNOPSIS A structurally defined Aβ oligomer mimic is created and studied, and antibodies raised against the Aβ oligomer mimic are used to investigate its relevance to Alzheimer’s disease.