A progressive loss of neurons with age underlies a variety of debilitating neurological disorders, including Alzheimer's disease (AD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS), yet few effective treatments are currently available. The SIR2 gene promotes longevity in a variety of organisms and may underlie the health benefits of caloric restriction, a diet that delays aging and neurodegeneration in mammals. Here, we report that a human homologue of SIR2, SIRT1, is upregulated in mouse models for AD, ALS and in primary neurons challenged with neurotoxic insults. In cell-based models for AD/tauopathies and ALS, SIRT1 and resveratrol, a SIRT1-activating molecule, both promote neuronal survival. In the inducible p25 transgenic mouse, a model of AD and tauopathies, resveratrol reduced neurodegeneration in the hippocampus, prevented learning impairment, and decreased the acetylation of the known SIRT1 substrates PGC-1alpha and p53. Furthermore, injection of SIRT1 lentivirus in the hippocampus of p25 transgenic mice conferred significant protection against neurodegeneration. Thus, SIRT1 constitutes a unique molecular link between aging and human neurodegenerative disorders and provides a promising avenue for therapeutic intervention.

As the human life span increases, the number of people suffering from cognitive decline is rising dramatically. The mechanisms underlying age-associated memory impairment are, however, not understood. Here we show that memory disturbances in the aging brain of the mouse are associated with altered hippocampal chromatin plasticity. During learning, aged mice display a specific deregulation of histone H4 lysine 12 (H4K12) acetylation and fail to initiate a hippocampal gene expression program associated with memory consolidation. Restoration of physiological H4K12 acetylation reinstates the expression of learning-induced genes and leads to the recovery of cognitive abilities. Our data suggest that deregulated H4K12 acetylation may represent an early biomarker of an impaired genome-environment interaction in the aging mouse brain.

In response to stress, the heart undergoes extensive cardiac remodeling that results in cardiac fibrosis and pathological growth of cardiomyocytes (hypertrophy), which contribute to heart failure. Alterations in microRNA (miRNA) levels are associated with dysfunctional gene expression profiles associated with many cardiovascular disease conditions; however, miRNAs have emerged recently as paracrine signaling mediators. Thus, we investigated a potential paracrine miRNA crosstalk between cardiac fibroblasts and cardiomyocytes and found that cardiac fibroblasts secrete miRNA-enriched exosomes. Surprisingly, evaluation of the miRNA content of cardiac fibroblast–derived exosomes revealed a relatively high abundance of many miRNA passenger strands (“star” miRNAs), which normally undergo intracellular degradation. Using confocal imaging and coculture assays, we identified fibroblast exosomal–derived miR-21_3p (miR-21*) as a potent paracrine-acting RNA molecule that induces cardiomyocyte hypertrophy. Proteome profiling identified sorbin and SH3 domain-containing protein 2 (SORBS2) and PDZ and LIM domain 5 (PDLIM5) as miR-21* targets, and silencing SORBS2 or PDLIM5 in cardiomyocytes induced hypertrophy. Pharmacological inhibition of miR-21* in a mouse model of Ang II–induced cardiac hypertrophy attenuated pathology. These findings demonstrate that cardiac fibroblasts secrete star miRNA–enriched exosomes and identify fibroblast-derived miR-21* as a paracrine signaling mediator of cardiomyocyte hypertrophy that has potential as a therapeutic target.

Innate immune memory is a vital mechanism of myeloid cell plasticity that occurs in response to environmental stimuli and alters subsequent immune responses. Two types of immunological imprinting can be distinguished-training and tolerance. These are epigenetically mediated and enhance or suppress subsequent inflammation, respectively. Whether immune memory occurs in tissue-resident macrophages in vivo and how it may affect pathology remains largely unknown. Here we demonstrate that peripherally applied inflammatory stimuli induce acute immune training and tolerance in the brain and lead to differential epigenetic reprogramming of brain-resident macrophages (microglia) that persists for at least six months. Strikingly, in a mouse model of Alzheimer's pathology, immune training exacerbates cerebral β-amyloidosis and immune tolerance alleviates it; similarly, peripheral immune stimulation modifies pathological features after stroke. Our results identify immune memory in the brain as an important modifier of neuropathology.

As a result of brain injury, astrocytes become activated and start to proliferate in the vicinity of the injury site. Recently, we had demonstrated that these reactive astrocytes, or glia, can form self-renewing and multipotent neurospheres in vitro. In the present study, we demonstrate that it is only invasive injury, such as stab wounding or cerebral ischemia, and not noninvasive injury conditions, such as chronic amyloidosis or induced neuronal death, that can elicit this increase in plasticity. Furthermore, we find that Sonic hedgehog (SHH) is the signal that acts directly on the astrocytes and is necessary and sufficient to elicit the stem cell response both in vitro and in vivo. These findings provide a molecular basis for how cells with neural stem cell lineage emerge at sites of brain injury and imply that the high levels of SHH known to enter the brain from extraneural sources after invasive injury can trigger this response.

Dysregulation of histone acetylation has been implicated in the onset of age-associated memory impairment and the pathogenesis of neurodegenerative diseases. Elevation of histone acetylation via administration of histone deacetylase (HDAC) inhibitors is currently being pursued as a novel therapeuti c avenue to treat memory impairment linked to Alzheimer's disease (AD). Here we show that severe amyloid pathology correlates with a pronounced dysregulation of histone acetylation in the forebrain of APPPS1-21 mice. Importantly, prolonged treatment with the pan-HDAC inhibitor sodium butyrate improved associative memory in APPPS1-21 mice even when administered at a very advanced stage of pathology. The recovery of memory function correlated with elevated hippocampal histone acetylation and increased expression of genes implicated in associative learning. These data advance our understanding of the potential applicability of HDAC inhibitors for the treatment of AD and suggest that HDAC inhibitors may have beneficial effects even when administered long after the onset of disease-associated symptoms.

MicroRNAs are key regulators of transcriptome plasticity and have been implicated with the pathogenesis of brain diseases. Here, we employed massive parallel sequencing and provide, at an unprecedented depth, the complete and quantitative miRNAome of the mouse hippocampus, the prime target of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease (AD). Using integrative genetics, we identify miR-34c as a negative constraint of memory consolidation and show that miR-34c levels are elevated in the hippocampus of AD patients and corresponding mouse models. In line with this, targeting miR-34 seed rescues learning ability in these mouse models. Our data suggest that miR-34c could be a marker for the onset of cognitive disturbances linked to AD and indicate that targeting miR-34c could be a suitable therapy.

Histone deacetylases (HDACs) are currently being discussed as promising therapeutic targets to treat neurodegenerative diseases. However, the role of specific HDACs in cognition and neurodegeneration remains poorly understood. Here, we investigate the function of HDAC6, a class II member of the HDAC superfamily, in the adult mouse brain. We report that mice lacking HDAC6 are cognitively normal but reducing endogenous HDAC6 levels restores learning and memory and α-tubulin acetylation in a mouse model for Alzheimer's disease (AD). Our data suggest that this therapeutic effect is, at least in part, linked to the observation that loss of HDAC6 renders neurons resistant to amyloid-β-mediated impairment of mitochondrial trafficking. Thus, our study suggests that targeting HDAC6 could be a suitable strategy to ameliorate cognitive decline observed in AD.