Abstract Neprilysin (NEP) and insulin-degrading enzyme (IDE) are considered the two major catabolic enzymes that degrade amyloid β peptide (Aβ), the primary cause of Alzheimer’s disease (AD). However, their roles in Aβ metabolism in vivo have never been compared in an impartial and side-by-side manner. Here, we crossbred single App knock-in mice with NEP ( Mme ) KO mice and with IDE ( Ide ) KO mice to generate double mutants that were analyzed for their biochemical and Aβ pathology properties. We found that NEP is responsible for the metabolism of amyloidogenic insoluble Aβ whereas IDE affects soluble Aβ. A deficiency of NEP, but not of IDE, augmented the formation of Aβ plaques, dystrophic neurites, and astrocytic and microglial activation, all of which are key pathological events in the development of AD. In addition, a deficiency of NEP had no significant impact on the levels of various neuropeptides (somatostatin, substance P, cholecystokinin, and neuropeptide Y), well known to be in vitro substrates for NEP, presumably because NEP is expressed in secretory vesicles and on the presynaptic membranes of excitatory neurons while most if not all neuropeptides are secreted from inhibitory neurons. This argues against the concern that NEP up-regulation for treatment of preclinical AD would reduce the levels of these neuropeptides. These findings indicate that NEP relatively selectively degrades Aβ in the brain. Whereas familial AD (FAD) is unambiguously caused by an increased anabolism of Aβ, and of Aβ 42 and Aβ 43 in particular, the anabolism of Aβ appears unaffected before its deposition in the brain that subsequently leads to the onset of sporadic AD (SAD). These observations thus suggest that NEP-sensitive amyloidogenic Aβ likely plays a primary pathogenic role in the etiology of SAD. Our findings are consistent with the aging-dependent decline of NEP expression in human brain and with recent genome-wide association studies (GWAS) indicating that variants of the gene encoding NEP ( MME ) are associated with the risk of SAD development. Taken together, our results imply that the aging-associated decrease in NEP expression is a primary cause of SAD and could thus be a target for the treatment of preclinical AD once other factors such as apolipoprotein E genotypes have also been considered.

SUMMARY We previously developed single App knock-in mouse models of Alzheimer’s disease (AD) that harbor the Swedish and Beyreuther/Iberian mutations with or without the Arctic mutation ( App NL- G-F and App NL-F mice). These models showed the development of amyloid β peptide (Aβ) pathology, neuroinflammation and cognitive impairment with aging. We have now generated App knock-in mice devoid of the Swedish mutations ( App G-F mice) and some additional mutants to address the following two questions: [1] Do the Swedish mutations influence the mode of β-secretase inhibitor action in vivo ? [2] Does the quantity of C-terminal fragment of amyloid precursor protein (APP) generated by β-secretase (CTF-β) affect endosomal properties as previously reported as well as other pathological events? Aβ pathology was exhibited by App G-F mice from 6 to 8 months of age, and was accompanied by microglial and astrocyte activation. We found that a β-secretase inhibitor, verubecestat, inhibited Aβ production in App G-F mice, but not in App NL-G-F mice, indicating that the App G-F mice are more suitable for preclinical studies of β-secretase inhibition given that most AD patients do not carry Swedish mutations. We also found that the quantity of CTF-β generated by various App knock-in mutants failed to correlate with endosomal alterations or enlargement, implying that CTF-β, endosomal abnormalities, or both are unlikely to play a major role in AD pathogenesis. This is the first AD mouse model ever described that recapitulates amyloid pathology in the brain without the presence of Swedish mutations and without relying on the overexpression paradigm. Thus, experimental comparisons between different App knock-in mouse lines will potentially provide new insights into our understanding of the etiology of AD.

Abstract The amyloid β peptide (Aβ) starting with pyroglutamate (pE) at position 3 and ending at position 42 (Aβ3pE-42) is a dominant species that accumulates in the Alzheimer’s disease (AD) brain. Consistently, a therapeutic antibody raised against this species, donanemab, has been shown to be effective in recent clinical trials. While the primary Aβ species produced physiologically is Aβ1-40/42, an explanation for how and why this physiological Aβ is converted to the pathological form has remained elusive. The conversion of Aβ1-42 to Aβ3pE-42 is likely to take place after deposition of Aβ1-42 given that Aβ3pE-42 plaques arise significantly later than Aβ1-42 deposition in the brains of single App knock-in and APP-transgenic mice. Here, we present experimental evidence that accounts for the aging-associated Aβ3pE-42 deposition: [1] Aβ3pE-42 is metabolically more stable than other AβX-42 species; [2] Deficiency of neprilysin (NEP), the major Aβ-degrading enzyme, induces a relatively selective deposition of Aβ3pE-42 in APP-Tg mice. [3] Aβ3pE-42 deposition always colocalizes with cored plaques in both APP-Tg and App knock-in mouse brains; [4] Aβ3E-42, an immediate precursor of Aβ3pE-42, as well as Aβ2A-42 and Aβ4F-42 are more short-lived than Aβ1-42 in vivo , indicating that simple N-terminal truncation that can arise enzymatically or spontaneously makes AβX-42 easier to catabolize. Consistently, newly generated knock-in mice, App NL-(ΔDA)-F and App NL-(ΔDA)-Q-F , showed no detectable Aβ pathology even after aging, indicating that the Aβ3E-42 and Aβ3Q-42 species are extremely labile to the in vivo catabolic system and that the E/Q cyclase activity present in mouse brain is insufficient for Aβ3pE-42 generation. In addition, a deficiency of NEP facilitated Aβ3pE-42 deposition. Of note, we identified a trace amount of Aβ3pE-42 and its immediate precursor, Aβ3E-42, in the insoluble fraction of NEP-deficient APP-Tg mouse brains. Aβ3pE-42 is thus likely to be a probabilistic by-product of Aβ1-42 metabolism that selectively accumulates over a long-time range of brain aging. It is likely produced in the solid state or at the solid-liquid interface. Our findings suggest that anti-Aβ therapies will probably be most effective if given before Aβ3pE-42 deposition takes place.

Deposition of amyloid-β (Aβ) in the brain can impair neuronal function and contribute to cognitive decline in Alzheimer's disease (AD). Here, we found that dopamine and the dopamine precursor levodopa (also called l-DOPA) induced Aβ degradation in the brain. Chemogenetic approaches in mice revealed that the activation of dopamine release from ventral tegmental area (VTA) neurons increased the abundance and activity of the Aβ-degrading enzyme neprilysin and reduced the amount of Aβ deposits in the prefrontal cortex in a neprilysin-dependent manner. Aged mice had less dopamine and neprilysin in the anterior cortex, a decrease that was accentuated in AD model mice. Treating AD model mice with levodopa reduced Aβ deposition and improved cognitive function. These observations demonstrate that dopamine promotes brain region-specific, neprilysin-dependent degradation of Aβ, suggesting that dopamine-associated strategies have the potential to treat this aspect of AD pathology.

Abstract We previously developed single App knock-in mouse models of Alzheimer’s disease (AD), harboring the Swedish and Beyreuther/Iberian mutations with or without the Arctic mutation ( App NL-G-F and App NL-F mice). These models showed amyloid β peptide (Aβ) pathology, neuroinflammation and cognitive impairment in an age-dependent manner. The former line exhibits extensive pathology as early as 6 months but is unsuitable for investigating Aβ metabolism and clearance because the Arctic mutation renders Aβ resistant to proteolytic degradation and prone to aggregation. In particular, it is inapplicable to preclinical immunotherapy studies due to its discrete affinity for anti-Aβ antibodies. The weakness of the latter model is that it may take as long as 18 months for the pathology to become prominent. We have thus generated a new model that exhibits early deposition of wild-type human Aβ by crossbreeding the App NL-F line with the Psen1 P117L/WT line. We show that the effects of the pathogenic mutations in the App and Psen1 genes are additive or synergistic. This new mouse model showed more cored plaque pathology and neuroinflammation than App NL-G-F mice and will help accelerate the development of disease-modifying therapies to treat preclinical AD.

A previous epidemiological study in Northern Europe showed that the A673T mutation (Icelandic mutation) in the amyloid precursor protein gene ( APP ) can protect against Alzheimer’s disease (AD). While the effect of the A673T mutation on APP processing has been investigated primarily in vitro , its in vivo impact has not been evaluated. This is mainly because most existing AD mouse models carry the Swedish mutation. The Swedish and Icelandic mutations are both located near the β-cleavage site, and each mutation is presumed to have the opposite effect on β-cleavage. Therefore, in the AD mouse models with the Swedish mutation, its effects could compete with the effects of the Icelandic mutation. Here, we introduced the A673T mutation into App knock-in mice devoid of the Swedish mutation ( App G-F mice) to avoid potential deleterious effects of the Swedish mutation and generated App G-F-A673T mice. APP-A673T significantly downregulated β-cleavage and attenuated the production of Aβ and amyloid pathology in the brains of these animals. The Icelandic mutation also reduced neuroinflammation and neuritic alterations. Both sexes were studied. This is the first successful demonstration of the protective effect of the Icelandic mutation on amyloid pathology in vivo. Our findings indicate that specific inhibition of the APP-BACE1 interaction could be a promising therapeutic approach. Alternatively, introduction of the disease-protective mutation such as APP-A673T using in vivo genome editing technology could be a novel treatment for individuals at high risk for AD, such as familial AD gene mutation carriers and APOE ε4 carriers. Significance statement The A673T mutation (Icelandic mutation) in the APP gene can protect against AD. The effect of the A673T mutation on amyloid pathology has not been evaluated in vivo. Utilizing a new AD mouse model that we have recently developed, we show that the APP-A673T attenuates amyloid pathology in vivo. We demonstrate that its protective effects are exerted by inhibiting β-cleavage and reducing the production of Aβ in the brain. Furthermore, we reveal that the Icelandic mutation also reduced neuroinflammation and neuritic alterations. Our findings indicate that specific inhibition of the APP-BACE1 interaction or introduction of protective variants via in vivo genome editing could be a promising therapeutic approach.