Abstract Previous studies have identified a crucial role of the gut microbiome in modifying Alzheimer’s disease (AD) progression. However, the mechanisms of microbiome-brain interaction in AD, including the microbial mediators and their cellular targets in the brain, were so far unknown. Here, we identify microbiota-derived short chain fatty acids (SCFA) as key metabolites along the gut-brain axis in AD. Germ-free (GF) AD mice exhibit a substantially reduced Aβ plaque load and markedly reduced SCFA plasma concentrations; conversely, SCFA supplementation to GF AD mice was sufficient to increase the Aβ plaque load to levels of conventionally colonized animals. While Aβ generation was only mildly affected, we observed strong microglial activation and upregulation of ApoE upon the SCFA supplementation. Taken together, our results demonstrate that microbiota-derived SCFA are the key mediators along the gut-brain axis resulting in increased microglial activation, ApoE upregulation and Aβ deposition.

Background: Microglia are the primary brain cell type regulating neuroinflammation and they are important for healthy aging. Genes regulating microglial function are associated with an increased risk of neurodegenerative disease. Loss-of-function mutations in CLN3, which encodes an endolysosomal membrane protein, lead to the most common childhood-onset form of neurodegeneration, featuring early-stage neuroinflammation that long precedes neuronal cell loss. How loss of CLN3 function leads to this early neuroinflammation is not yet understood. Methods: Here, we have comprehensively studied microglia from Cln3∆ex7/8 mice, a genetically accurate CLN3 disease model. Microglia were isolated from young and old Cln3∆ex7/8 mice for downstream molecular and functional studies. Results: We show that loss of CLN3 function in microglia leads to classic age-dependent CLN3-disease lysosomal storage as well as an altered morphology of the lysosome, mitochonodria and Golgi compartments. Consistent with these morphological alterations, we also discovered pathological proteomic signatures implicating defects in lysosomal function and lipid metabolism processes at an early disease stage. CLN3-deficient microglia were unable to efficiently turnover myelin and metabolize its associated lipids, showing severe defects in lipid droplet formation and significant accumulation of cholesterol, phenotypes that were corrected by treatment with autophagy inducers and cholesterol lowering drugs. Finally, we observed reduced myelination in aging homozygous Cln3∆ex7/8 mice suggesting altered myelin turnover by microglia impacts myelination in the CLN3-deficient brain. Conclusion: Our results implicate a cell autonomous defect in CLN3-deficient microglia that impacts the ability of these cells to support neuronal cell health. These results strongly suggest microglial targeted therapies should be considered for CLN3 disease.

Microglial dysfunction is a key pathological feature of Alzheimers disease (AD), but little is known about proteome-wide changes in microglia during the course of AD pathogenesis and their functional consequences. Here, we performed an in-depth and time-resolved proteomic characterization of microglia in two mouse models of amyloid Aβ pathology, the overexpression APPPS1 and the knock-in APP-NL-G-F (APP-KI) model. We identified a large panel of Microglial Aβ Response Proteins (MARPs) that reflect a heterogeneity of microglial alterations during early, middle and advanced stages of Aβ deposition. Although both mouse models display severe microglial alterations at late stages of amyloid pathology, MARP signatures occur earlier in the APPPS1 mice. Strikingly, the kinetic differences in proteomic profiles correlated with the presence of fibrillar Aβ rather than dystrophic neurites, suggesting that fibrillar Aβ aggregates are the main drivers of the AD-associated microglial phenotype and the observed functional decline. The identified microglial proteomic fingerprints of AD provide a valuable resource for functional studies of novel molecular targets and potential biomarkers for monitoring AD progression or therapeutic efficacy.

Niemann-Pick type C disease is a rare neurodegenerative disorder mainly caused by mutations in Npc1 , resulting in abnormal late endosomal/lysosomal lipid storage. Although microgliosis is a prominent pathological feature, consequences of NPC1 loss on microglial function remain uncharacterized. Here, we provide an in-depth characterization of microglial proteomic signatures and phenotypes in a NPC1-deficient ( Npc1 -/- ) murine model and patient blood-derived macrophages. We demonstrate enhanced phagocytic uptake and impaired lipid trafficking in Npc1 -/- microglia that precede neuronal death. Loss of NPC1 compromises microglial developmental functions as revealed by increased synaptic pruning and deficient myelin turnover. Undigested myelin accumulates within multi-vesicular bodies of Npc1 -/- microglia while lysosomal degradation remains preserved. To translate our findings to human disease, we generated novel ex vivo assays using patient macrophages that displayed similar proteomic disease signatures and lipid trafficking defects as murine Npc1 -/- microglia. Thus, peripheral macrophages provide a novel promising clinical tool for monitoring disease progression and therapeutic efficacy in NPC patients. Our study underscores an essential role for NPC1 in immune cells and implies microglial therapeutic potential.