Aggregation of amyloid-β (Aβ) peptide into soluble and insoluble forms within the brain extracellular space is central to the pathogenesis of Alzheimer's disease. Full-length amyloid precursor protein (APP) is endocytosed from the cell surface into endosomes where it is cleaved to produce Aβ. Aβ is subsequently released into the brain interstitial fluid (ISF). We hypothesized that synaptic transmission results in more APP endocytosis, thereby increasing Aβ generation and release into the ISF. We found that inhibition of clathrin-mediated endocytosis immediately lowers ISF Aβ levels in vivo. Two distinct methods that increased synaptic transmission resulted in an elevation of ISF Aβ levels. Inhibition of endocytosis, however, prevented the activity-dependent increase in Aβ. We estimate that ∼70% of ISF Aβ arises from endocytosis-associated mechanisms, with the vast majority of this pool also dependent on synaptic activity. These findings have implications for AD pathogenesis and may provide insights into therapeutic intervention.

Mutations in triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) have been linked to increased Alzheimer's disease (AD) risk. Neurobiological functions of TREM2 and its pathophysiological ligands remain elusive. Here we found that TREM2 directly binds to β-amyloid (Aβ) oligomers with nanomolar affinity, whereas AD-associated TREM2 mutations reduce Aβ binding. TREM2 deficiency impairs Aβ degradation in primary microglial culture and mouse brain. Aβ-induced microglial depolarization, K+ inward current induction, cytokine expression and secretion, migration, proliferation, apoptosis, and morphological changes are dependent on TREM2. In addition, TREM2 interaction with its signaling adaptor DAP12 is enhanced by Aβ, regulating downstream phosphorylation of SYK and GSK3β. Our data demonstrate TREM2 as a microglial Aβ receptor transducing physiological and AD-related pathological effects associated with Aβ.

Significance It has been proposed that differential physical interactions of apolipoprotein E (apoE) isoforms with soluble amyloid-β (Aβ) in brain fluids influence the metabolism of Aβ, providing a major mechanism to account for how APOE influences Alzheimer’s disease risk. The current study challenges this proposal and clearly shows that lipoproteins containing apoE isoforms are unlikely to play a significant role in Aβ metabolism by binding directly to Aβ in physiological fluids such as cerebrospinal fluid or interstitial fluid. Our in vitro and in vivo results suggest that apoE isoforms influence Aβ metabolism by competing for the same clearance pathways within the brain.

Several heterozygous missense mutations in the triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) have recently been linked to risk for a number of neurological disorders including Alzheimer disease (AD), Parkinson disease, and frontotemporal dementia. These discoveries have re-ignited interest in the role of neuroinflammation in the pathogenesis of neurodegenerative diseases. TREM2 is highly expressed in microglia, the resident immune cells of the central nervous system. Along with its adaptor protein, DAP12, TREM2 regulates inflammatory cytokine release and phagocytosis of apoptotic neurons. Here, we report apolipoprotein E (apoE) as a novel ligand for TREM2. Using a biochemical assay, we demonstrated high-affinity binding of apoE to human TREM2. The functional significance of this binding was highlighted by increased phagocytosis of apoE-bound apoptotic N2a cells by primary microglia in a manner that depends on TREM2 expression. Moreover, when the AD-associated TREM2-R47H mutant was used in biochemical assays, apoE binding was vastly reduced. Our data demonstrate that apoE-TREM2 interaction in microglia plays critical roles in modulating phagocytosis of apoE-bound apoptotic neurons and establish a critical link between two proteins whose genes are strongly linked to the risk for AD.

One of the neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD) is the amyloid plaque, primarily composed of aggregated amyloid-beta (Aβ) peptide. In vitro, Aβ 1–42 , the major alloform of Aβ found in plaques, self-assembles into fibrils at micromolar concentrations and acidic pH. Such conditions do not exist in the extracellular fluid of the brain where the pH is neutral and Aβ concentrations are in the nanomolar range. Here, we show that extracellular soluble Aβ (sAβ) at concentrations as low as 1 nM was taken up by murine cortical neurons and neuroblastoma (SHSY5Y) cells but not by human embryonic kidney (HEK293) cells. Following uptake, Aβ accumulated in Lysotracker-positive acidic vesicles (likely late endosomes or lysosomes) where effective concentrations (>2.5 μM) were greater than two orders of magnitude higher than that in the extracellular fluid (25 nM), as quantified by fluorescence intensity using laser scanning confocal microscopy. Furthermore, SHSY5Y cells incubated with 1 μM Aβ 1–42 for several days demonstrated a time-dependent increase in intracellular high molecular weight (HMW) (>200 kDa) aggregates, which were absent in cells grown in the presence of Aβ 1–40 . Homogenates from these Aβ 1–42 -loaded cells were capable of seeding amyloid fibril growth. These results demonstrate that Aβ can be taken up by certain cells at low physiologically relevant concentrations of extracellular Aβ, and then concentrated into endosomes/lysosomes. At high concentrations, vesicular Aβ aggregates to form HMW species which are capable of seeding amyloid fibril growth. We speculate that extrusion of these aggregates may seed extracellular amyloid plaque formation during AD pathogenesis.

Zhao et al. report that brain vessels have a major role in clearing Alzheimer's disease–related toxin Aβ from brain and show that PICALM gene product and its variant associated with an increased risk for Alzheimer's disease inactivate an Aβ clearance system in blood vessels, leading to Aβ brain accumulation and cognitive impairment. PICALM is a highly validated genetic risk factor for Alzheimer's disease (AD). We found that reduced expression of PICALM in AD and murine brain endothelium correlated with amyloid-β (Aβ) pathology and cognitive impairment. Moreover, Picalm deficiency diminished Aβ clearance across the murine blood-brain barrier (BBB) and accelerated Aβ pathology in a manner that was reversible by endothelial PICALM re-expression. Using human brain endothelial monolayers, we found that PICALM regulated PICALM/clathrin-dependent internalization of Aβ bound to the low density lipoprotein receptor related protein-1, a key Aβ clearance receptor, and guided Aβ trafficking to Rab5 and Rab11, leading to Aβ endothelial transcytosis and clearance. PICALM levels and Aβ clearance were reduced in AD-derived endothelial monolayers, which was reversible by adenoviral-mediated PICALM transfer. Inducible pluripotent stem cell–derived human endothelial cells carrying the rs3851179 protective allele exhibited higher PICALM levels and enhanced Aβ clearance. Thus, PICALM regulates Aβ BBB transcytosis and clearance, which has implications for Aβ brain homeostasis and clearance therapy.

Mutations in the amyloid precursor protein (APP) cause early-onset Alzheimer's disease (AD), but the only genetic risk factor for late-onset AD is the ɛ4 allele of apolipoprotein E (apoE), a major cholesterol carrier. Using Cre-lox conditional knockout mice, we demonstrate that lipoprotein receptor LRP1 expression regulates apoE and cholesterol levels within the CNS. We also found that deletion of APP and its homolog APLP2, or components of the γ-secretase complex, significantly enhanced the expression and function of LRP1, which was reversed by forced expression of the APP intracellular domain (AICD). We further show that AICD, together with Fe65 and Tip60, interacts with the LRP1 promoter and suppresses its transcription. Together, our findings support that the γ-secretase cleavage of APP plays a central role in regulating apoE and cholesterol metabolism in the CNS via LRP1 and establish a biological linkage between APP and apoE, the two major genetic determinants of AD.

Abstract Triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) is a microglial surface receptor genetically linked to the risk for Alzheimer’s disease (AD). A proteolytic product, soluble TREM2 (sTREM2), is abundant in the cerebrospinal fluid and its levels positively correlate with neuronal injury markers. To gain insights into the pathological roles of sTREM2, we studied sTREM2 in the brain of 5xFAD mice, a model of AD, by direct stereotaxic injection of recombinant sTREM2 protein or by adeno-associated virus (AAV)-mediated expression. We found that sTREM2 reduces amyloid plaque load and rescues functional deficits of spatial memory and long-term potentiation. Importantly, sTREM2 enhances microglial proliferation, migration, clustering in the vicinity of amyloid plaques and the uptake and degradation of Aβ. Depletion of microglia abolishes the neuroprotective effects of sTREM2. Our study demonstrates a protective role of sTREM2 against amyloid pathology and related toxicity and suggests that increasing sTREM2 can be explored for AD therapy.