Abstract Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent form of dementia and is characterized by abnormal extracellular aggregates of amyloid-β and intraneuronal hyperphosphorylated tau tangles and neuropil threads. Microglia, the tissue-resident macrophages of the central nervous system (CNS), are important for CNS homeostasis and implicated in AD pathology. In amyloid mouse models, a phagocytic/activated microglia phenotype has been identified. How increasing levels of amyloid-β and tau pathology affect human microglia transcriptional profiles is unknown. Here, we performed snRNAseq on 482,472 nuclei from non-demented control brains and AD brains containing only amyloid-β plaques or both amyloid-β plaques and tau pathology. Within the microglia population, distinct expression profiles were identified of which two were AD pathology-associated. The phagocytic/activated AD1-microglia population abundance strongly correlated with tissue amyloid-β load and localized to amyloid-β plaques. The AD2-microglia abundance strongly correlated with tissue phospho-tau load and these microglia were more abundant in samples with overt tau pathology. This full characterization of human disease-associated microglia phenotypes provides new insights in the pathophysiological role of microglia in AD and offers new targets for microglia-state-specific therapeutic strategies.

Abstract Microglia are the tissue-resident macrophages of the central nervous system (CNS). Recent studies based on bulk and single-cell RNA sequencing in mice indicate high relevance of microglia with respect to risk genes and neuro-inflammation in Alzheimer’s disease. Here, we investigated microglia transcriptomes at bulk and single cell level in non-demented elderly and AD donors using acute human post-mortem cortical brain samples. We identified 9 human microglial subpopulations with heterogeneity in gene expression. Notably, gene expression profiles and subcluster composition of microglia did not differ between AD donors and non-demented elderly in bulk RNA sequencing nor in single-cell sequencing.

ABSTRACT A loss of the checkpoint kinase ATM leads to impairments in the DNA damage response, and in humans causes cerebellar neurodegeneration, and a high risk to cancer. A loss of ATM is also associated with increased protein aggregation. The relevance and characteristics of this aggregation are still incompletely understood. Moreover, it is unclear to what extent other genotoxic conditions can trigger protein aggregation as well. Here, we show that targeting ATM, but also ATR or DNA topoisomerases result in a similar, widespread aggregation of a metastable, disease-associated subfraction of the proteome. Aggregation-prone model substrates, including Huntingtin exon1 containing an expanded polyglutamine repeat, aggregate faster under these conditions. This increased aggregation results from an overload of chaperone systems, which lowers the cell-intrinsic threshold for proteins to aggregate. In line with this, we find that inhibition of the HSP70 chaperone system further exacerbates the increased protein aggregation. Moreover, we identify the molecular chaperone HSPB5 as a potent suppressor of it. Our findings reveal that various genotoxic conditions trigger widespread protein aggregation in a manner that is highly reminiscent of the aggregation occurring in situations of proteotoxic stress and in proteinopathies.

Abstract Progressive neurocognitive dysfunction is the leading cause of a reduced quality of life in patients with primary brain tumours. Understanding the mechanisms underlying cognitive impairments that occur in response to a brain tumour and its treatment is essential to improve patients’ quality of life. Here, we show that normal-appearing non-tumour brain regions of patients with glioblastoma display hallmarks of accelerated ageing and share multiple features with Alzheimer’s disease patients. Integrated transcriptomic and tissue analysis shows that normal-appearing brain tissue from glioblastoma patients has a significant overlap with brain tissue from Alzheimer’s disease patients, revealing shared mitochondrial and neuronal dysfunction, and proteostasis deregulation. Overall, the brain of glioblastoma patients undergoes Alzheimer’s disease-like accelerated ageing, providing novel or repurposed therapeutic targets for managing brain cancer-related side effects.

Abstract Multiple sclerosis (MS) is a disease of the central nervous system (CNS) that is characterized by inflammation and focal areas of demyelination, ultimately resulting in axonal degradation and neuronal loss. Several lines of evidence point towards a role for microglia and other brain macrophages in disease initiation and progression, but exactly how lesion formation is triggered is currently unknown. Here, we characterized early changes in MS brain tissue through transcriptomic analysis of normal appearing white matter (NAWM). We found that NAWM was characterized by enriched expression of genes associated with inflammation and cellular stress derived from brain macrophages. Single cell RNA sequencing confirmed an early stress response in brain macrophages in NAWM and identified specific macrophage subsets that associate with different stages of demyelinating lesions. These early changes associated with lesion development in MS brain tissue may provide therapeutic targets to limit lesion progression and demyelination.

ABSTRACT Demyelination of the CNS is a prominent pathological hallmark of Multiple Sclerosis (MS) and affects both white (WM) and grey matter (GM). However, demyelinated WM and GM areas exhibit clear pathological differences, most notably the presence or absence of inflammation and activated glial cells in WM and GM, respectively. In order to gain more insight into the differential pathology of demyelinated WM and GM areas, we micro-dissected neighbouring WM and GM demyelinated areas as well as normal appearing matter from leukocortical lesions of human post-mortem material and used these samples for RNA-sequencing. Our data show that even neighbouring WM and GM demyelinated areas share only 10% overlap in gene expression, implying a distinct gene expression profile, which is extending to a specific glial cell related signature. We propose that, based on their distinct expression profile, pathological processes in neighbouring WM and GM are likely different which could have implications for the efficacy of current MS treatments.

Abstract The cuprizone model is a well-characterized model to study processes of demyelination and remyelination, which are known features of multiple sclerosis. Cuprizone induces oligodendrocyte loss and severe demyelination in the brain, including the corpus callosum, hippocampus, and cortex. Loss of oligodendrocytes and myelin is accompanied by microgliosis and astrogliosis, wherein microglia and astrocytes partially lose their homeostatic functions and acquire a reactive/activated state. Cuprizone-induced demyelination peaks later in grey matter (GM) than in white matter (WM), and remyelination is more efficient in WM areas. Here, we aim to better understand regional diversity in microglia, astrocytes, and oligodendrocytes and their respective role in remyelination efficiency, by characterizing their response to cuprizone across brain regions. We applied spatial transcriptomics (ST) for unbiased gene activity profiling of multiple brain regions in a single tissue section, to identify region-associated changes in gene activity following cuprizone treatment. Gene activity changes were detected in highly abundant cell types, like neurons, oligodendrocytes, and astrocytes, but challenging to detect in low-abundant cell types such as microglia and oligodendrocyte precursor cells. ST revealed a significant increase in the expression of astrocyte markers Clu , Slc1a3, and Gfap during the demyelination phase in the WM fiber tract. In the cortex, the changes in GFAP expression were less prominent, both at the transcriptional and protein level. By mapping genes obtained from scRNAseq of FACS-sorted ACSA2-positive astrocytes onto the ST data, we observed astrocyte heterogeneity beyond the simple classification of WM– and GM-astrocytes in both control and cuprizone-treated mice. In the future, the characterization of these regional astrocyte populations could aid the development of novel strategies to halt the progression of demyelination and support remyelination. Highlights ⍰ Astrocyte markers Clu , Slc1a3, and Gfap are increased in WM fiber tracts during demyelination ⍰ Expression dynamics of astrogliosis markers Gfap and Vim during de-and remyelination depend on the brain region ⍰ Combining scRNAseq with ST data revealed astrocyte heterogeneity beyond WM– and GM-differences ⍰ scRNAseq-identified gene sets were differently affected by cuprizone treatment across brain regions