Sven van der Lee, Julie Williams, Gerard Schellenberg and colleagues identify rare coding variants in PLCG2, ABI3 and TREM2 associated with Alzheimer's disease. These genes are highly expressed in microglia and provide additional evidence that the microglia-mediated immune response contributes to the development of Alzheimer's disease. We identified rare coding variants associated with Alzheimer's disease in a three-stage case–control study of 85,133 subjects. In stage 1, we genotyped 34,174 samples using a whole-exome microarray. In stage 2, we tested associated variants (P < 1 × 10−4) in 35,962 independent samples using de novo genotyping and imputed genotypes. In stage 3, we used an additional 14,997 samples to test the most significant stage 2 associations (P < 5 × 10−8) using imputed genotypes. We observed three new genome-wide significant nonsynonymous variants associated with Alzheimer's disease: a protective variant in PLCG2 (rs72824905: p.Pro522Arg, P = 5.38 × 10−10, odds ratio (OR) = 0.68, minor allele frequency (MAF)cases = 0.0059, MAFcontrols = 0.0093), a risk variant in ABI3 (rs616338: p.Ser209Phe, P = 4.56 × 10−10, OR = 1.43, MAFcases = 0.011, MAFcontrols = 0.008), and a new genome-wide significant variant in TREM2 (rs143332484: p.Arg62His, P = 1.55 × 10−14, OR = 1.67, MAFcases = 0.0143, MAFcontrols = 0.0089), a known susceptibility gene for Alzheimer's disease. These protein-altering changes are in genes highly expressed in microglia and highlight an immune-related protein–protein interaction network enriched for previously identified risk genes in Alzheimer's disease. These genetic findings provide additional evidence that the microglia-mediated innate immune response contributes directly to the development of Alzheimer's disease.

Anti-inflammatory strategies are proposed to have beneficial effects in Alzheimer’s disease. To explore how anti-inflammatory cytokine signaling affects Aβ pathology, we investigated the effects of adeno-associated virus (AAV2/1)-mediated expression of Interleukin (IL)-10 in the brains of APP transgenic mouse models. IL-10 expression resulted in increased Aβ accumulation and impaired memory in APP mice. A focused transcriptome analysis revealed changes consistent with enhanced IL-10 signaling and increased ApoE expression in IL-10-expressing APP mice. ApoE protein was selectively increased in the plaque-associated insoluble cellular fraction, likely because of direct interaction with aggregated Aβ in the IL-10-expressing APP mice. Ex vivo studies also show that IL-10 and ApoE can individually impair glial Aβ phagocytosis. Our observations that IL-10 has an unexpected negative effect on Aβ proteostasis and cognition in APP mouse models demonstrate the complex interplay between innate immunity and proteostasis in neurodegenerative diseases, an interaction we call immunoproteostasis.

Proinflammatory stimuli, after amyloid β (Aβ) deposition, have been hypothesized to create a self-reinforcing positive feedback loop that increases amyloidogenic processing of the Aβ precursor protein (APP), promoting further Aβ accumulation and neuroinflammation in Alzheimer's disease (AD). Interleukin-6 (IL-6), a proinflammatory cytokine, has been shown to be increased in AD patients implying a pathological interaction. To assess the effects of IL-6 on Aβ deposition and APP processing in vivo,we overexpressed murine IL-6 (mIL-6) in the brains of APP transgenic TgCRND8 and TG2576 mice. mIL-6 expression resulted in extensive gliosis and concurrently attenuated Aβ deposition in TgCRND8 mouse brains. This was accompanied by up-regulation of glial phagocytic markers in vivo and resulted in enhanced microglia-mediated phagocytosis of Aβ aggregates in vitro. Further, mIL-6-induced neuroinflammation had no effect on APP processing in TgCRND8 and had no effect on APP processing or steady-state levels of Aβ in young Tg2576 mice. These results indicate that mIL-6-mediated reactive gliosis may be beneficial early in the disease process by potentially enhancing Aβ plaque clearance rather than mediating a neurotoxic feedback loop that exacerbates amyloid pathology. This is the first study that methodically dissects the contribution of mIL-6 with regard to its potential role in modulating Aβ deposition in vivo.—Chakrabarty, P., Jansen-West, K., Beccard, A., Ceballos-Diaz, C., Levites, Y., Verbeeck, C., Zubair, A. C., Dickson, D., Golde, T. E., Das, P. Massive gliosis induced by interleukin-6 suppresses Aβ deposition in vivo: evidence against inflammation as a driving force for amyloid deposition. FASEB J. 24, 548–559 (2010). www.fasebj.org

Abstract Background Apolipoprotein E (apoE) modulates the deposition of amyloid β (Aβ) aggregates in Alzheimer’s disease (AD) in an isoform-dependent manner. In transgenic mouse models of AD-amyloidosis, replacing mouse Apoe alleles with human APOE variants suppresses fibrillar Aβ deposits. In the PD-APP transgenic mouse model, deletion of the Apoe gene led to selective reduction of fibrillar deposits with increased diffuse deposits. This finding suggested that apoE may have differential effects on different types of amyloid pathology. Methods Here, we investigated the interaction between the type of Aβ pathology in the brain and human apoE isoforms in different transgenic mouse models. Results In the APPsi model that develops predominantly diffuse Aβ plaques late in life, we determined that replacing mouse Apoe with human APOE3 or APOE4 genes potently suppressed diffuse amyloid formation, with apoE3 exhibiting a greater activity relative to apoE4. Relative to apoE4, apoE3 appeared to suppress Aβ deposition in the cerebral vasculature. In a second cohort, we accelerated the deposition of diffuse Aβ pathology by seeding, finding that seeded APPsi mice harboring APOE4 or APOE3 developed equal burdens of diffuse parenchymal Aβ. Finally, in the recently developed SAA-APP model that has a mix of dense-core and fibrous Aβ plaques, we found that replacing mouse apoE with human apoE suppressed deposition significantly, with the amyloid burden following the trend of Apoe >> APOE4> APOE3 ∼ APOE2 . In the SAA-APP and seeded APPsi models, we found evidence of apoE protein associated with Aβ plaques. Conclusions Overall, these observations demonstrate a capacity for human apoE to suppress the deposition of both diffuse and fibrillar-cored deposits, relative to mouse apoE. Notably, in the seeded paradigm, the suppressive activity of human apoE3 and apoE4 appeared to be overwhelmed. Taken together, this study demonstrates that APOE genotype influences the deposition of both cored-fibrillar and diffuse amyloid.

Human brain transcriptomes can highlight biological pathways associated with Alzheimer's disease (AD); however, challenges remain to link expression changes with causal triggers. We have examined 30 AD-associated, gene coexpression modules from human brains for overlap with 251 differentially-expressed gene sets from mouse brain RNA-sequencing experiments, including from models of AD and other neurodegenerative disorders. Human-mouse overlaps highlight responses to amyloid versus neurofibrillary tangle pathology and further reveal age- and sex-dependent expression signatures for AD progression. Human coexpression modules enriched for neuronal and/or microglial genes overlap broadly with signatures from mouse models of AD, Huntington′s disease, Amyotrophic Lateral Sclerosis, and also aging. Several human AD coexpression modules, including those implicated in the unfolded protein response and oxidative phosphorylation, were not activated in AD models, but instead were detected following other, unexpected mouse genetic manipulations. Our results comprise a powerful, cross-species resource and pinpoint experimental models for diverse features of AD pathophysiology from human brain transcriptomes.

Abstract Aggregation and accumulation of amyloid-β (Aβ) is a defining feature of Alzheimer’s disease (AD) pathology. To study microglial responses to Aβ, we applied exogenous Aβ peptide, in either oligomeric or fibrillar conformation, to primary mouse microglial cultures and evaluated system level transcriptional changes and then compared these to transcriptomic changes in the brains of CRND8 APP mice. We find that primary microglial cultures have rapid and massive transcriptional change to in response to Aβ. Transcriptomic responses to oligomeric or fibrillar Aβ in primary microglia, though partially overlapping, are distinct and are not recapitulated in vivo where Aβ progressively accumulates. Furthermore, though classic immune mediators show massive transcriptional changes in the primary microglial cultures, these changes are not observed in the mouse model. Together, these data extend previous studies which demonstrate that microglia responses ex vivo are poor proxies for in vivo responses. Finally, these data demonstrate the potential utility of using microglia as biosensors of different aggregate conformation, as the transcriptional responses to oligomeric and fibrillar Aβ can be distinguished.

Abstract The S209F variant of Abelson Interactor Protein 3 ( ABI3 ) increases risk for Alzheimer’s disease (AD), but little is known about ABI3 function. RNAscope showed Abi3 is expressed in microglial and non-microglial cells, though its increased expression appears to be driven in plaque-associated microglia. Here, we evaluated Abi3 - /- mice and document that both Abi3 and its overlapping gene, Gngt2 , are disrupted in these mice. Expression of Abi3 and Gngt2 are tightly correlated, and elevated, in rodent models of AD. RNA-seq of the Abi3 - Gngt 2 -/- mice revealed robust induction of an AD-associated neurodegenerative signature, including upregulation of Trem2, Plcg2 and Tyrobp. In APP mice, loss of Abi3 - Gngt2 resulted in a gene dose- and age-dependent reduction in Aβ deposition. Additionally, in Abi3 - Gngt2 -/- mice, expression of a pro-aggregant form of human tau exacerbated tauopathy and astrocytosis. Further, the AD-associated S209F mutation alters the extent of ABI3 phosphorylation. These data provide an important experimental framework for understanding the role of Abi3 - Gngt2 function in AD. Our studies also demonstrate that manipulation of glial function could have opposing effects on amyloid and tau pathology, highlighting the unpredictability of targeting such pathways in AD.

Objective: To evaluate the persistence of intestinal microbiome dysbiosis and gut-plasma metabolomic perturbations following severe trauma or sepsis weeks after admission in patients experiencing chronic critical illness (CCI). Summary: Trauma and sepsis can lead to gut dysbiosis and alterations in the plasma and fecal metabolome. However, the impact of these perturbations and correlations between gut dysbiosis and the plasma metabolome in chronic critical illness have not been studied. Methods: A prospective observational cohort study was performed with healthy subjects, severe trauma patients, patients with sepsis residing in an intensive care unit (ICU) for 2-3 weeks. A high-throughput multi-omics approach was utilized to evaluate the gut microbial and gut-plasma metabolite responses in critically ill trauma and sepsis patients 14-21 days after ICU admission. Results: Patients in the sepsis and trauma cohorts demonstrated strikingly depleted gut microbiome diversity, with significant alterations and specific pathobiome patterns in the microbiota composition compared to healthy subjects. Further subgroup analyses based on sex revealed resistance to changes in microbiome diversity among female trauma patients compared to healthy counterparts. Sex-specific changes in fecal metabolites were also observed after trauma and sepsis, while plasma metabolite changes were similar in both males and females. Conclusions: Dysbiosis induced by trauma and sepsis persists up to 14-21 days after onset and is sex-specific, underscoring the implication of pathobiome and entero-septic microbial-metabolite perturbations in post-sepsis and post-trauma CCI. This indicates resilience to infection or injury in females’ microbiome and should inform and facilitate future precision/personalized medicine strategies in the intensive care unit.

Extracellular beta-amyloid (Aβ) is thought to cause impairments in brain-wide functional connectivity, although mechanisms linking Aβ to broader functional network processing remain elusive. In the present study, we evaluated the effects of Aβ on fear memory and functional connectome measures in male and female mice. Middle-aged (9-11mo) double transgenic APP-PS1 mice and age and sex-matched controls were tested on a fear conditioning protocol and then imaged at 11.1 Tesla. Brains were harvested and processed for analysis of Aβ plaques and Iba1 immunolabeling in neocortical areas, hippocampus, and basolateral amygdala. Additional RNA sequencing data from separate age, strain, and sex-matched mice were analyzed for differentially expressed genes (DEGs) and weighted gene co-expression networks. In both male and female mice, we observed increased functional connectivity in a dorsal striatal/amygdala network as a result of Aβ. Increased functional connectivity within this network was matched by increases in APP gene expression, Aβ and Iba1 immunolabeling, and an upregulated cluster of DEGs involved in the immune response. Conversely, the network measure representing node hubness, eigenvector centrality, was increased in prefrontal cortical brain regions, but only in female APP-PS1 mice. This female-specific effect of amyloid was associated with down-regulation of a cluster of DEGs involved in cortical and striatal GABA transmission, anxiogenic responses, and motor activity, in female APP-PS1 mice, but not males. Our results contribute to a growing literature linking between Aβ, immune activation, and functional network connectivity. Furthermore, our results reveal outcomes of Aβ on gene expression patterns in female mice that may contribute to amyloidosis-induced dysregulation of non-cognitive circuitry.

Extracellular β-amyloid (Aβ) plaque deposits and inflammatory immune activation are thought to alter various aspects of tissue microstructure, such as extracellular free water, fractional anisotropy and diffusivity, as well as the density and geometric arrangement of axonal processes. Quantifying these microstructural changes in Alzheimers disease and related neurodegenerative dementias could serve to accurately monitor or predict disease course. In the present study we used high-field diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) to determine how Aβ and inflammatory interleukin-6 (IL6), alone or in combination, affect in vivo tissue microstructure in the TgCRND8 mouse model of Alzheimers-type Aβ deposition. TgCRND8 and non-transgenic (nTg) mice expressing brain-targeted IL6 or enhanced glial fibrillary protein (EGFP controls) were scanned at 8 months of age using a 2-shell, 54-gradient direction dMRI sequence at 11.1 Tesla. Images were processed using the free water elimination method and the neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) model. DTI and NODDI processing in TgCRND8 mice revealed a microstructure pattern consistent with reduced white matter integrity along with an increase in density and geometric complexity of axonal and dendritic processes. This included reduced FA, mean diffusivity (MD), and free water (FW), and increased neurite density (NDI) and orientation dispersion (ODI). IL6 produced a protective-like effect on FA in TgCRND8 mice, although there were minimal microstructure changes in these mice compared IL6 expressing nTg mice. In addition, we found that NDI and ODI had an inverse relationship with the functional connectome clustering coefficient, which was affected by Aβ and IL6. The relationship between NODDI and graph theory metrics suggests that increasing the density and orientation dispersion of neurites may relate to diminished functional network organization in the brain.