Synapse loss and Tau pathology are hallmarks of Alzheimer's disease (AD) and other tauopathies, but how Tau pathology causes synapse loss is unclear. We used unbiased proteomic analysis of postsynaptic densities (PSDs) in Tau-P301S transgenic mice to identify Tau-dependent alterations in synapses prior to overt neurodegeneration. Multiple proteins and pathways were altered in Tau-P301S PSDs, including depletion of a set of GTPase-regulatory proteins that leads to actin cytoskeletal defects and loss of dendritic spines. Furthermore, we found striking accumulation of complement C1q in the PSDs of Tau-P301S mice and AD patients. At synapses, C1q decorated perisynaptic membranes, accumulated in correlation with phospho-Tau, and was associated with augmented microglial engulfment of synapses and decline of synapse density. A C1q-blocking antibody inhibited microglial synapse removal in cultured neurons and in Tau-P301S mice, rescuing synapse density. Thus, inhibiting complement-mediated synapse removal by microglia could be a potential therapeutic target for Tau-associated neurodegeneration.

Complement pathway overactivation can lead to neuronal damage in various neurological diseases. Although Alzheimer's disease (AD) is characterized by β-amyloid plaques and tau tangles, previous work examining complement has largely focused on amyloidosis models. We find that glial cells show increased expression of classical complement components and the central component C3 in mouse models of amyloidosis (PS2APP) and more extensively tauopathy (TauP301S). Blocking complement function by deleting C3 rescues plaque-associated synapse loss in PS2APP mice and ameliorates neuron loss and brain atrophy in TauP301S mice, improving neurophysiological and behavioral measurements. In addition, C3 protein is elevated in AD patient brains, including at synapses, and levels and processing of C3 are increased in AD patient CSF and correlate with tau. These results demonstrate that complement activation contributes to neurodegeneration caused by tau pathology and suggest that blocking C3 function might be protective in AD and other tauopathies.

Abstract Amyloid-β plaques and neurofibrillary tau tangles are the neuropathologic hallmarks of Alzheimer’s disease (AD), but the spatiotemporal cellular responses and molecular mechanisms underlying AD pathophysiology remain poorly understood. Here we introduce STARmap PLUS to simultaneously map single-cell transcriptional states and disease marker proteins in brain tissues of AD mouse models at subcellular resolution (200 nm). This high-resolution spatial transcriptomics map revealed a core-shell structure where disease-associated microglia (DAM) closely contact amyloid-β plaques, whereas disease-associated astrocytes (DAA) and oligodendrocyte precursor cells (OPC) are enriched in the outer shells surrounding the plaque- DAM complex. Hyperphosphorylated tau emerged mainly in excitatory neurons in the CA1 region accompanied by the infiltration of oligodendrocyte subtypes into the axon bundles of hippocampal alveus. The integrative STARmap PLUS method bridges single-cell gene expression profiles with tissue histopathology at subcellular resolution, providing an unprecedented roadmap to pinpoint the molecular and cellular mechanisms of AD pathology and neurodegeneration.

SUMMARY Schizophrenia disease mechanisms remain poorly understood, in large part due to a lack of valid animal models. Rare heterozygous loss-of-function mutations in GRIN2A , encoding a subunit of the NMDA (N-methyl-d-aspartate) receptor, greatly increase the risk of schizophrenia. By transcriptomic, proteomic, electroencephalogram (EEG) recording and behavioral analysis, we report that heterozygous Grin2a mutant mice show: (i) large-scale gene expression changes across multiple brain regions and in neuronal (excitatory and inhibitory) and non-neuronal cells (astrocytes, oligodendrocytes); (ii) evidence of reduced activity in prefrontal cortex and increased activity in hippocampus and striatum; (iii) elevated dopamine signaling in striatum; (iv) altered cholesterol biosynthesis in astrocytes; (v) reduction of glutamatergic receptor signalin g proteins in the synapse; (iv) heightened gamma oscillation power in EEG; (vi) aberrant locomotor behavioral pattern opposite of that induced by antipsychotic drugs. These findings reveal potential pathophysiologic mechanisms, provide support for both the “hypo-glutamate” and “hyper-dopamine” hypotheses of schizophrenia, and underscore the utility of Grin2a -deficient mice as a new genetic model of schizophrenia.

Abstract Antibodies against post-translational modifications (PTMs) such as lysine acetylation, ubiquitin remnants, or phosphotyrosine have resulted in significant advances in our understanding of the fundamental roles of PTMs in biology. However, the roles of a number of PTMs remain largely unexplored due to the lack of robust enrichment reagents. The addition of N-acetylglucosamine to serine and threonine residues (O-GlcNAc) by the O-GlcNAc transferase (OGT) is a PTM implicated in numerous biological processes and disease states but with limited techniques for its study. Here, we evaluate a new mixture of anti-O-GlcNAc monoclonal antibodies for the immunoprecipitation of native O-GlcNAcylated peptides from cells and tissues. The anti-O-GlcNAc antibodies display good sensitivity and high specificity toward O-GlcNAc-modified peptides, and do not recognize O-GalNAc or GlcNAc in extended glycans. Applying this antibody-based enrichment strategy to synaptosomes from mouse brain tissue samples, we identified over 1,300 unique O-GlcNAc-modified peptides and over 1,000 sites using just a fraction of sample preparation and instrument time required in other landmark investigations of O-GlcNAcylation. Our rapid and robust method greatly simplifies the analysis of O-GlcNAc signaling and will help to elucidate the role of this challenging PTM in health and disease.

Abstract Complement overactivation mediates microglial synapse elimination in neurological diseases like Alzheimer’s disease and frontotemporal dementia (FTD), but how complement activity is regulated in the brain remains largely unknown. We identified that the secreted neuronal pentraxin Nptx2 binds complement C1q and thereby regulates its activity in the brain. Nptx2-deficient mice show increased complement activity and C1q-dependent microglial synapse engulfment and loss of excitatory synapses. In a neuroinflammation culture model and in aged TauP301S mice, AAV-mediated neuronal overexpression of Nptx2 was sufficient to restrain complement activity and ameliorate microglia-mediated synapse loss. Analysis of human CSF samples from a genetic FTD cohort revealed significantly reduced levels of Nptx2 and Nptx2-C1q protein complexes in symptomatic patients, which correlated with elevated C1q and activated C3. Together, these results show that Nptx2 regulates complement activity and microglial synapse elimination in the healthy and diseased brain and that diminished Nptx2 levels might exacerbate complement-mediated neurodegeneration in FTD patients.

Abstract Synaptic dysfunction is implicated in the pathophysiology of schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BP). We used quantitative mass-spectrometry to carry out deep and unbiased profiling of the proteome of synapses purified from the dorsolateral prefrontal cortex of 35 cases of SCZ, 35 cases of BP, and 35 controls. Compared to controls, SCZ and BP synapses showed substantial and similar proteomic alterations. Network and gene set enrichment analyses revealed upregulation of proteins associated with autophagy and certain vesicle transport pathways, and downregulation of proteins related to synaptic, mitochondrial, and ribosomal function in the synapses of individuals with SCZ or BP. Some of the same pathways (e.g., upregulation of vesicle transport, downregulation of mitochondrial and ribosomal proteins) were similarly dysregulated in the synaptic proteome of mutant mice deficient in Akap11 , a recently discovered shared risk gene for SCZ and BP. Our work provides novel biological insights into molecular dysfunction at the synapse in SCZ and BP and serves as a resource for understanding the pathophysiology of these debilitating neuropsychiatric disorders.