Recent data in invertebrates demonstrated that huntingtin (htt) is essential for fast axonal trafficking. Here, we provide direct and functional evidence that htt is involved in fast axonal trafficking in mammals. Moreover, expression of full-length mutant htt (mhtt) impairs vesicular and mitochondrial trafficking in mammalian neurons in vitro and in whole animals in vivo. Particularly, mitochondria become progressively immobilized and stop more frequently in neurons from transgenic animals. These defects occurred early in development prior to the onset of measurable neurological or mitochondrial abnormalities. Consistent with a progressive loss of function, wild-type htt, trafficking motors, and mitochondrial components were selectively sequestered by mhtt in human Huntington's disease-affected brain. Data provide a model for how loss of htt function causes toxicity; mhtt-mediated aggregation sequesters htt and components of trafficking machinery leading to loss of mitochondrial motility and eventual mitochondrial dysfunction.

Alzheimer's Disease (AD) currently affects more than 5 million Americans, with numbers expected to grow dramatically as the population ages. The pathophysiological changes in AD patients begin decades before the onset of dementia, highlighting the urgent need for the development of early diagnostic methods. Compelling data demonstrate that increased levels of amyloid-beta compromise multiple cellular pathways; thus, the investigation of changes in various cellular networks is essential to advance our understanding of early disease mechanisms and to identify novel therapeutic targets. We applied a liquid chromatography/mass spectrometry-based non-targeted metabolomics approach to determine global metabolic changes in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) from the same individuals with different AD severity. Metabolic profiling detected a total of significantly altered 342 plasma and 351 CSF metabolites, of which 22% were identified. Based on the changes of >150 metabolites, we found 23 altered canonical pathways in plasma and 20 in CSF in mild cognitive impairment (MCI) vs. cognitively normal (CN) individuals with a false discovery rate <0.05. The number of affected pathways increased with disease severity in both fluids. Lysine metabolism in plasma and the Krebs cycle in CSF were significantly affected in MCI vs. CN. Cholesterol and sphingolipids transport was altered in both CSF and plasma of AD vs. CN. Other 30 canonical pathways significantly disturbed in MCI and AD patients included energy metabolism, Krebs cycle, mitochondrial function, neurotransmitter and amino acid metabolism, and lipid biosynthesis. Pathways in plasma that discriminated between all groups included polyamine, lysine, tryptophan metabolism, and aminoacyl-tRNA biosynthesis; and in CSF involved cortisone and prostaglandin 2 biosynthesis and metabolism. Our data suggest metabolomics could advance our understanding of the early disease mechanisms shared in progression from CN to MCI and to AD.

Summary Mitochondrial dynamics (fission, fusion, and the formation of nanotunnels) and morphology are very sensitive to the cellular environment. Mitochondria may be adversely affected by oxidative stress, changes in calcium levels, and hypoxia. Investigating the precise relationship between organelle structure and function requires methods that can adequately preserve mitochondria while providing accurate, quantitative measurements of morphological attributes. Here, we demonstrate a practical approach for preserving and measuring fine structural changes using two-dimensional, high-resolution electron micrographs. This approach is further applicable for three-dimensional volume renderings, obtained using serial block-face and focused ion beam-scanning electron microscopy, highlighting the specific advantages of these techniques. Additionally, this study defines a set of quantifiable metrics that can be applied to measure mitochondrial architecture and other organellar structures. Finally, we validated specimen preparation methods that avoid the introduction of morphological artifacts that may interfere with mitochondrial appearance and do not require whole-animal perfusion.

Autophagy is an essential catabolic process that promotes clearance of surplus or damaged intracellular components 1 . As a recycling process, autophagy is also important for the maintenance of cellular metabolites during periods of starvation 2 . Loss of autophagy is sufficient to cause cell death in animal models and is likely to contribute to tissue degeneration in a number of human diseases including neurodegenerative and lysosomal storage disorders 3–7 . However, it remains unclear which of the many cellular functions of autophagy primarily underlies its role in cell survival. Here we have identified a critical role of autophagy in the maintenance of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + /NADH) levels. In respiring cells, loss of autophagy caused NAD(H) depletion resulting in mitochondrial membrane depolarisation and cell death. We also found that maintenance of NAD(H) is an evolutionary conserved function of autophagy from yeast to human cells. Importantly, cell death and reduced viability of autophagy-deficient animal models can be partially reversed by supplementation with an NAD(H) precursor. Our study provides a mechanistic link between autophagy and NAD(H) metabolism and suggests that boosting NAD(H) levels may be an effective intervention strategy to prevent cell death and tissue degeneration in human diseases associated with autophagy dysfunction.

Abstract We demonstrate that mitochondrial respiratory chain complex I is an important small molecule druggable target in Alzheimer’s Disease (AD). Partial inhibition of complex I triggers the AMP-activated protein kinase-dependent signaling network leading to neuroprotection in symptomatic APP/PS1 mice, a translational model of AD. Treatment of APP/PS1 mice with complex I inhibitor after the onset of AD-like neuropathology improved energy homeostasis, synaptic activity, long-term potentiation, dendritic spine maturation, cognitive function and proteostasis, and reduced oxidative stress and inflammation in brain and periphery, ultimately blocking the ongoing neurodegeneration. Therapeutic efficacy in vivo was monitored using translational biomarkers FDG-PET, 31 P NMR, and metabolomics. Cross-validation of the mouse and the human AMP-AD transcriptomic data demonstrated that pathways improved by the treatment in APP/PS1 mice, including the immune system response and neurotransmission, represent mechanisms essential for therapeutic efficacy in AD patients.

Abstract Background Accumulation of hyperphosphorylated Tau (pTau) protein is associated with synaptic dysfunction in Alzheimer’s disease (AD). We previously demonstrated that neuroprotection in familial mouse models of AD could be achieved by targeting mitochondria complex I (MCI) and activating the adaptive stress response. Efficacy of this strategy on pTau-related pathology remained unknown. Objective To investigate the effect of specific MCI inhibitor tricyclic pyrone compound CP2 on pTau levels, memory function, long term potentiation (LTP), and energy homeostasis in 18-month-old 3xTg-AD mice and explore the potential mechanisms. Methods CP2 was administered to male and female 3xTg-AD mice from 3.5 - 18 months of age. Cognitive function was assessed using the Morris water maze test. Glucose metabolism was measured in periphery using a glucose tolerance test and in the brain using fluorodeoxyglucose F18 positron-emission tomography (FDG-PET). LTP was evaluated using electrophysiology in the hippocampus. The expression of key proteins associated with neuroprotective mechanisms were assessed by western blotting. Results Chronic CP2 treatment restored synaptic activity and cognitive function, increased levels of synaptic proteins, improved glucose metabolism and energy homeostasis in male and female 3xTg-AD mice. Significant reduction of human pTau in the brain was associated with increased activity of protein phosphatase of type 2A (PP2A), reduced activity of cyclin-dependent kinase 5 (CDK5) and glycogen synthase kinase 3β (GSK3β). Conclusion CP2 treatment protected against synaptic dysfunction and memory impairment in symptomatic 3xTg-AD mice, and reduced levels of human pTau, indicating that targeting mitochondria with small molecule specific MCI inhibitors represents a promising strategy for AD.

Abstract Mitochondrial dysfunction is well documented in Alzheimer’s Disease (AD). However, whether it instigates the onset of AD remains unclear. We demonstrate that a reduction of complex I activity in wild type (WT) mice caused by a global knockout of Ndufs4 , an accessory mitochondrial complex I subunit, was sufficient to induce transcriptomic changes in the brain reminiscent of those observed in AD patients and familial mouse models of AD. Reduced complex I activity affected expression of genes in the networks related to mitochondrial homeostasis, neuronal and synaptic function. Transcriptomic signatures in male and female Ndufs4 -/- mice reflected a different severity of AD phenotype. Unexpectedly, these changes were partially rescued by a neuroprotective small molecule mild complex I inhibitor CP2. Consistent with studies in AD mice, CP2 treatment in Ndufs4 -/- mice augmented the expression of genes associated with mitochondrial biogenesis and turnover, synaptic activity, autophagy, redox balance, and reduced expression of genes related to inflammation. Female Ndufs4 -/- mice demonstrated a greater reversal of gene expression toward WT mice. These studies provide further support for mitochondria as a causative factor of AD pathophysiology and complex I as a putative therapeutic target.

Abstract Impairment of autophagy leads to an accumulation of misfolded proteins and damaged organelles and has been implicated in plethora of human diseases. Loss of autophagy in actively respiring cells has also been shown to trigger metabolic collapse mediated by the depletion of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) pools, resulting in cell death. Here we found that the deficit in the autophagy-NAD axis underpins the loss of viability in cell models of a neurodegenerative lysosomal storage disorder, Niemann-Pick type C1 (NPC1) disease. Defective autophagic flux in NPC1 cells resulted in mitochondrial dysfunction due to impairment of mitophagy, leading to the depletion of both the reduced and oxidised forms of NAD as identified via metabolic profiling. Consequently, exhaustion of the NAD pools triggered mitochondrial depolarisation and apoptotic cell death. Our chemical screening identified two FDA-approved drugs, celecoxib and memantine, as autophagy activators which effectively restored autophagic flux, NAD levels, and cell viability of NPC1 cells. Of biomedical relevance, either pharmacological rescue of the autophagy deficiency or NAD precursor supplementation restored NAD levels and improved the viability of NPC1 patient fibroblasts and induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cortical neurons. Together, our findings identify the autophagy-NAD axis as a mechanism of cell death and a target for therapeutic interventions in NPC1 disease, with a potential relevance to other neurodegenerative disorders.

Recent studies have provided evidence that late-onset Alzheimer’s disease (AD) can in part be considered a metabolic disease. Besides age, female sex and APOE ε4 genotype represent strong risk factors for AD. They also both give rise to large metabolic differences, suggesting that metabolic aspects of AD pathogenesis may differ between males and females and between APOE ε4 carriers and non-carriers. We systematically investigated group-specific metabolic alterations by conducting stratified association analyses of 140 metabolites measured in serum samples of 1,517 AD neuroimaging initiative subjects, with AD biomarkers for Aβ and tau pathology and neurodegeneration. We observed substantial sex differences in effects of 15 metabolites on AD biomarkers with partially overlapping differences for APOE ε4 status groups. These metabolites highlighted several group-specific alterations not observed in unstratified analyses using sex and APOE ε4 as covariates. Combined stratification by both variables uncovered further subgroup-specific metabolic effects limited to the group with presumably the highest AD risk: APOE ε4+ females. Pathways linked to the observed metabolic alterations suggest that females experience more expressed impairment of mitochondrial energy production in AD than males. These findings indicate that dissecting metabolic heterogeneity in AD pathogenesis may enable grading of the biomedical relevance of specific pathways for specific subgroups. Extending our approach beyond simple one- or two-fold stratification may thus guide the way to personalized medicine.Significance statement Research provides substantial evidence that late-onset Alzheimer’s disease (AD) is a metabolic disease. Besides age, female sex and APOEε4 genotype represent strong risk factors for AD, and at the same time give rise to large metabolic differences. Our systematic investigation of sex and APOE ε4 genotype differences in the link between metabolism and measures of pre-symptomatic AD using stratified analysis revealed several group-specific metabolic alterations that were not observed without sex and genotype stratification of the same cohort. Pathways linked to the observed metabolic alterations suggest females are more affected by impairment of mitochondrial energy production in AD than males, highlighting the importance of tailored treatment approaches towards a precision medicine approach.