Cleavage of huntingtin (htt) has been characterized in vitro, and accumulation of caspase cleavage fragments represents an early pathological change in brains of Huntington's disease (HD) patients. However, the relationship between htt proteolysis and the pathogenesis of HD is unknown. To determine whether caspase cleavage of htt is a key event in the neuronal dysfunction and selective neurodegeneration in HD, we generated YAC mice expressing caspase-3- and caspase-6-resistant mutant htt. Mice expressing mutant htt, resistant to cleavage by caspase-6 but not caspase-3, maintain normal neuronal function and do not develop striatal neurodegeneration. Furthermore, caspase-6-resistant mutant htt mice are protected against neurotoxicity induced by multiple stressors including NMDA, quinolinic acid (QA), and staurosporine. These results are consistent with proteolysis of htt at the caspase-6 cleavage site being an important event in mediating neuronal dysfunction and neurodegeneration and highlight the significant role of htt proteolysis and excitotoxicity in HD.

Previous work suggests N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) activation may be involved in degeneration of medium-sized spiny striatal neurons in Huntington's disease (HD). Here we show that these neurons are more vulnerable to NMDAR-mediated death in a YAC transgenic FVB/N mouse model of HD expressing full-length mutant huntingtin, compared with wild-type FVB/N mice. Excitotoxic death of these neurons was increased after intrastriatal injection of quinolinate in vivo, and after NMDA but not AMPA exposure in culture. NMDA-induced cell death was abolished by an NR2B subtype-specific antagonist. In contrast, NMDAR-mediated death of cerebellar granule neurons was not enhanced, consistent with cell-type and NMDAR subtype specificity. Moreover, increased NMDA-evoked current amplitude and caspase-3 activity were observed in transgenic striatal neurons. Our data support a role for NR2B-subtype NMDAR activation as a trigger for selective neuronal degeneration in HD.

The neurodegenerative diseases Huntington disease, dentatorubropallidoluysian atrophy, spinocerebellar atrophy type 3, and spinal bulbar muscular atrophy are caused by expansion of a polyglutamine tract within their respective gene products. There is increasing evidence that generation of truncated proteins containing an expanded polyglutamine tract may be a key step in the pathogenesis of these disorders. We now report that, similar to huntingtin, atrophin-1, ataxin-3, and the androgen receptor are cleaved in apoptotic extracts. Furthermore, each of these proteins is cleaved by one or more purified caspases, cysteine proteases involved in apoptotic death. The CAG length does not modulate susceptibility to cleavage of any of the full-length proteins. Our results suggest that by generation of truncated polyglutamine-containing proteins, caspase cleavage may represent a common step in the pathogenesis of each of these neurodegenerative diseases.

Abstract Increasing evidence recognizes Alzheimer's disease (AD) as a multifactorial and heterogeneous disease with multiple contributors to its pathophysiology, including vascular dysfunction. The recently updated AD Research Framework put forth by the National Institute on Aging–Alzheimer's Association describes a biomarker‐based pathologic definition of AD focused on amyloid, tau, and neuronal injury. In response to this article, here we first discussed evidence that vascular dysfunction is an important early event in AD pathophysiology. Next, we examined various imaging sequences that could be easily implemented to evaluate different types of vascular dysfunction associated with, and/or contributing to, AD pathophysiology, including changes in blood‐brain barrier integrity and cerebral blood flow. Vascular imaging biomarkers of small vessel disease of the brain, which is responsible for >50% of dementia worldwide, including AD, are already established, well characterized, and easy to recognize. We suggest that these vascular biomarkers should be incorporated into the AD Research Framework to gain a better understanding of AD pathophysiology and aid in treatment efforts.

Huntington's disease (HD) is caused by polyglutamine expansion (exp) in huntingtin (Htt). The type 1 inositol (1,4,5)-triphosphate receptor (InsP3R1) is an intracellular calcium (Ca2+) release channel that plays an important role in neuronal function. In a yeast two-hybrid screen with the InsP3R1 carboxy terminus, we isolated Htt-associated protein-1A (HAP1A). We show that an InsP3R1-HAP1A-Htt ternary complex is formed in vitro and in vivo. In planar lipid bilayer reconstitution experiments, InsP3R1 activation by InsP3 is sensitized by Httexp, but not by normal Htt. Transfection of full-length Httexp or caspase-resistant Httexp, but not normal Htt, into medium spiny striatal neurons faciliates Ca2+ release in response to threshold concentrations of the selective mGluR1/5 agonist 3,5-DHPG. Our findings identify a novel molecular link between Htt and InsP3R1-mediated neuronal Ca2+ signaling and provide an explanation for the derangement of cytosolic Ca2+ signaling in HD patients and mouse models.

Huntington9s disease (HD) results from polyglutamine expansion in huntingtin (htt), a protein with several consensus caspase cleavage sites. Despite the identification of htt fragments in the brain, it has not been shown conclusively that htt is cleaved by caspases in vivo. Furthermore, no study has addressed when htt cleavage occurs with respect to the onset of neurodegeneration. Using antibodies that detect only caspase-cleaved htt, we demonstrate that htt is cleaved in vivo specifically at the caspase consensus site at amino acid 552. We detect caspase-cleaved htt in control human brain as well as in HD brains with early grade neuropathology, including one homozygote. Cleaved htt is also seen in wild-type and HD transgenic mouse brains before the onset of neurodegeneration. These results suggest that caspase cleavage of htt may be a normal physiological event. However, in HD, cleavage of mutant htt would release N-terminal fragments with the potential for increased toxicity and accumulation caused by the presence of the expanded polyglutamine tract. Furthermore, htt fragments were detected most abundantly in cortical projection neurons, suggesting that accumulation of expanded htt fragments in these neurons may lead to corticostriatal dysfunction as an early event in the pathogenesis of HD.

APOE genotype is a major genetic risk factor for late-onset Alzheimer disease (AD). ABCA1, a member of the ATP-binding cassette family of active transporters, lipidates apoE in the CNS. Abca1–/– mice have decreased lipid associated with apoE and increased amyloid deposition in several AD mouse models. We hypothesized that mice overexpressing ABCA1 in the brain would have increased lipidation of apoE-containing lipoproteins and decreased amyloid deposition. To address these hypotheses, we created PrP-mAbca1 Tg mice that overexpress mouse Abca1 throughout the brain under the control of the mouse prion promoter. We bred the PrP-mAbca1 mice to the PDAPP AD mouse model, a transgenic line overexpressing a mutant human amyloid precursor protein. PDAPP/Abca1 Tg mice developed a phenotype remarkably similar to that seen in PDAPP/Apoe–/– mice: there was significantly less amyloid β-peptide (Aβ) deposition, a redistribution of Aβ to the hilus of the dentate gyrus in the hippocampus, and an almost complete absence of thioflavine S–positive amyloid plaques. Analyses of CSF from PrP-mAbca1 Tg mice and media conditioned by PrP-mAbca1 Tg primary astrocytes demonstrated increased lipidation of apoE-containing particles. These data support the conclusions that increased ABCA1-mediated lipidation of apoE in the CNS can reduce amyloid burden and that increasing ABCA1 function may have a therapeutic effect on AD.

ABCA1 is a cholesterol transporter that is widely expressed throughout the body. Outside the central nervous system (CNS), ABCA1 functions in the biogenesis of high-density lipoprotein (HDL), where it mediates the efflux of cholesterol and phospholipids to apolipoprotein (apo) A-I. Deficiency of ABCA1 results in lack of circulating HDL and greatly reduced levels of apoA-I. ABCA1 is also expressed in cells within the CNS, but its roles in brain lipid metabolism are not yet fully understood. In the brain, glia synthesize the apolipoproteins involved in CNS lipid metabolism. Here we demonstrate that glial ABCA1 is required for cholesterol efflux to apoA-I and plays a key role in facilitating cholesterol efflux to apoE, which is the major apolipoprotein in the brain. In both astrocytes and microglia, ABCA1 deficiency reduces lipid efflux to exogenous apoE. The impaired ability to efflux lipids in ABCA1-/- glia results in lipid accumulation in both astrocytes and microglia under normal culture conditions. Additionally, apoE secretion is compromised in ABCA1-/- astrocytes and microglia. In vivo, deficiency of ABCA1 results in a 65% decrease in apoE levels in whole brain, and a 75-80% decrease in apoE levels in hippocampus and striatum. Additionally, the effect of ABCA1 on apoE is selective, as apoJ levels are unchanged in brains of ABCA1-/- mice. Taken together, these results show that glial ABCA1 is a key influence on apoE metabolism in the CNS.