The accumulation of lysosomes and their hydrolases within neurons is a well-established neuropathologic feature of Alzheimer disease (AD). Here we show that lysosomal pathology in AD brain involves extensive alterations of macroautophagy, an inducible pathway for the turnover of intracellular constituents, including organelles. Using immunogold labeling with compartmental markers and electron microscopy on neocortical biopsies from AD brain, we unequivocally identified autophagosomes and other prelysosomal autophagic vacuoles (AVs), which were morphologically and biochemically similar to AVs highly purified from mouse liver. AVs were uncommon in brains devoid of AD pathology but were abundant in AD brains particularly, within neuritic processes, including synaptic terminals. In dystrophic neurites, autophagosomes, multivesicular bodies, multilamellar bodies, and cathepsin-containing autophagolysosomes were the predominant organelles and accumulated in large numbers. These compartments were distinguishable from lysosomes and lysosomal dense bodies, previously shown also to be abundant in dystrophic neurites. Autophagy was evident in the perikarya of affected neurons, particularly in those with neurofibrillary pathology where it was associated with a relative depletion of mitochondria and other organelles. These observations provide the first evidence that macroautophagy is extensively involved in the neurodegenerative/regenerative process in AD. The striking accumulations of immature AV forms in dystrophic neurites suggest that the transport of AVs and their maturation to lysosomes may be impaired, thereby impeding the suspected neuroprotective functions of autophagy.

Reactive oxygen or nitrogen species (ROS/RNS) generated endogenously or in response to environmental stress have long been implicated in tissue injury in the context of a variety of disease states. ROS/RNS can cause cell death by nonphysiological (necrotic) or regulated pathways (apoptotic). The mechanisms by which ROS/RNS cause or regulate apoptosis typically include receptor activation, caspase activation, Bcl-2 family proteins, and mitochondrial dysfunction. Various protein kinase activities, including mitogen-activated protein kinases, protein kinases-B/C, inhibitor-of-I-κB kinases, and their corresponding phosphatases modulate the apoptotic program depending on cellular context. Recently, lipid-derived mediators have emerged as potential intermediates in the apoptosis pathway triggered by oxidants. Cell death mechanisms have been studied across a broad spectrum of models of oxidative stress, including H2O2, nitric oxide and derivatives, endotoxin-induced inflammation, photodynamic therapy, ultraviolet-A and ionizing radiations, and cigarette smoke. Additionally ROS generated in the lung and other organs as the result of high oxygen therapy or ischemia/reperfusion can stimulate cell death pathways associated with tissue damage. Cells have evolved numerous survival pathways to counter proapoptotic stimuli, which include activation of stress-related protein responses. Among these, the heme oxygenase-1/carbon monoxide system has emerged as a major intracellular antiapoptotic mechanism.

Macroautophagy is a lysosomal degradative pathway essential for neuron survival. Here, we show that macroautophagy requires the Alzheimer's disease (AD)-related protein presenilin-1 (PS1). In PS1 null blastocysts, neurons from mice hypomorphic for PS1 or conditionally depleted of PS1, substrate proteolysis and autophagosome clearance during macroautophagy are prevented as a result of a selective impairment of autolysosome acidification and cathepsin activation. These deficits are caused by failed PS1-dependent targeting of the v-ATPase V0a1 subunit to lysosomes. N-glycosylation of the V0a1 subunit, essential for its efficient ER-to-lysosome delivery, requires the selective binding of PS1 holoprotein to the unglycosylated subunit and the Sec61alpha/oligosaccharyltransferase complex. PS1 mutations causing early-onset AD produce a similar lysosomal/autophagy phenotype in fibroblasts from AD patients. PS1 is therefore essential for v-ATPase targeting to lysosomes, lysosome acidification, and proteolysis during autophagy. Defective lysosomal proteolysis represents a basis for pathogenic protein accumulations and neuronal cell death in AD and suggests previously unidentified therapeutic targets.PaperClip/cms/asset/9eee02cc-691c-4edd-8666-7596a7c4aacd/mmc3.mp3Loading ...(mp3, 2.78 MB) Download audio

Macroautophagy, a major pathway for organelle and protein turnover, has been implicated in the neurodegeneration of Alzheimer9s disease (AD). The basis for the profuse accumulation of autophagic vacuoles (AVs) in affected neurons of the AD brain, however, is unknown. In this study, we show that constitutive macroautophagy in primary cortical neurons is highly efficient, because newly formed autophagosomes are rapidly cleared by fusion with lysosomes, accounting for their scarcity in the healthy brain. Even after macroautophagy is strongly induced by suppressing mTOR (mammalian target of rapamycin) kinase activity with rapamycin or nutrient deprivation, active cathepsin-positive autolysosomes rather than LC3-II-positive autophagosomes predominate, implying efficient autophagosome clearance in healthy neurons. In contrast, selectively impeding late steps in macroautophagy by inhibiting cathepsin-mediated proteolysis within autolysosomes with cysteine- and aspartyl-protease inhibitors caused a marked accumulation of electron-dense double-membrane-limited AVs, containing cathepsin D and incompletely degraded LC3-II in perikarya and neurites. Similar structures accumulated in large numbers when fusion of autophagosomes with lysosomes was slowed by disrupting their transport on microtubules with vinblastine. Finally, we find that the autophagic vacuoles accumulating after protease inhibition or prolonged vinblastine treatment strongly resembled AVs that collect in dystrophic neurites in the AD brain and in an AD mouse model. We conclude that macroautophagy is constitutively active and highly efficient in healthy neurons and that the autophagic pathology observed in AD most likely arises from impaired clearance of AVs rather than strong autophagy induction alone. Therapeutic modulation of autophagy in AD may, therefore, require targeting late steps in the autophagic pathway.

Macroautophagy, which is a lysosomal pathway for the turnover of organelles and long-lived proteins, is a key determinant of cell survival and longevity. In this study, we show that neuronal macroautophagy is induced early in Alzheimer's disease (AD) and before β-amyloid (Aβ) deposits extracellularly in the presenilin (PS) 1/Aβ precursor protein (APP) mouse model of β-amyloidosis. Subsequently, autophagosomes and late autophagic vacuoles (AVs) accumulate markedly in dystrophic dendrites, implying an impaired maturation of AVs to lysosomes. Immunolabeling identifies AVs in the brain as a major reservoir of intracellular Aβ. Purified AVs contain APP and β-cleaved APP and are highly enriched in PS1, nicastrin, and PS-dependent γ-secretase activity. Inducing or inhibiting macroautophagy in neuronal and nonneuronal cells by modulating mammalian target of rapamycin kinase elicits parallel changes in AV proliferation and Aβ production. Our results, therefore, link β-amyloidogenic and cell survival pathways through macroautophagy, which is activated and is abnormal in AD.

Endocytosis is critical to the function and fate of molecules important to Alzheimer's disease (AD) etiology, including the beta protein precursor (betaPP), amyloid beta (Abeta) peptide, and apolipoprotein E (ApoE). Early endosomes, a major site of Abeta peptide generation, are markedly enlarged within neurons in the Alzheimer brain, suggesting altered endocytic pathway (EP) activity. Here, we show that neuronal EP activation is a specific and very early response in AD. To evaluate endocytic activation, we used markers of internalization (rab5, rabaptin 5) and recycling (rab4), and found that enlargement of rab5-positive early endosomes in the AD brain was associated with elevated levels of rab4 immunoreactive protein and translocation of rabaptin 5 to endosomes, implying that both endocytic uptake and recycling are activated. These abnormalities were evident in pyramidal neurons of the neocortex at preclinical stages of disease when Alzheimer-like neuropathology, such as Abeta deposition, was restricted to the entorhinal region. In Down syndrome, early endosomes were significantly enlarged in some pyramidal neurons as early as 28 weeks of gestation, decades before classical AD neuropathology develops. Markers of EP activity were only minimally influenced by normal aging and other neurodegenerative diseases studied. Inheritance of the epsilon4 allele of APOE, however, accentuated early endosome enlargement at preclinical stages of AD. By contrast, endosomes were normal in size at advanced stages of familial AD caused by mutations of presenilin 1 or 2, indicating that altered endocytosis is not a consequence of Abeta deposition. These results identify EP activation as the earliest known intraneuronal change to occur in sporadic AD, the most common form of AD. Given the important role of the EP in Abeta peptide generation and ApoE function, early endosomal abnormalities provide a mechanistic link between EP alterations, genetic susceptibility factors, and Abeta generation and suggest differences that may be involved in Abeta generation and beta amyloidogenesis in subtypes of AD.

Calcium-activated neutral proteinases (CANPs or calpains) are believed to be key enzymes in intracellular signaling cascades and potential mediators of calcium-induced neuronal degeneration. To investigate their involvement in Alzheimer disease, we identified three isoforms of muCANP (calpain I) in human postmortem brain corresponding to an 80-kDa precursor and two autolytically activated isoforms (78 and 76 kDa). As an index of changes in the in vivo activity of muCANP in Alzheimer disease, the ratio of the 76-kDa activated isoform of muCANP to its 80-kDa precursor was measured by immunoassay in selected brain regions from 22 individuals with Alzheimer disease and 18 normal controls. This muCANP activation ratio was elevated 3-fold in the prefrontal cortex from patients with Alzheimer disease but not from patients with Huntington disease. The activation ratio was also significantly elevated, but to a lesser degree, in brain regions where Alzheimer pathology is milder and has not led to overt neuronal degeneration. These findings indicate that muCANP activation is not simply a consequence of cellular degeneration but may be associated with dysfunction in many neurons before gross structural changes occur. The known influences of CANPs on cytoskeleton and membrane dynamics imply that persistent CANP activation may contribute to neurofibrillary pathology and abnormal amyloid precursor protein processing prior to causing synapse loss or cell death in the most vulnerable neuronal populations. Pharmacological modulation of the CANP system may merit consideration as a potential therapeutic strategy in Alzheimer disease.

The pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) remains unclear, but involves loss of alveolar surface area (emphysema) and airway inflammation (bronchitis) as the consequence of cigarette smoke (CS) exposure. Previously, we demonstrated that autophagy proteins promote lung epithelial cell death, airway dysfunction, and emphysema in response to CS; however, the underlying mechanisms have yet to be elucidated. Here, using cultured pulmonary epithelial cells and murine models, we demonstrated that CS causes mitochondrial dysfunction that is associated with a reduction of mitochondrial membrane potential. CS induced mitophagy, the autophagy-dependent elimination of mitochondria, through stabilization of the mitophagy regulator PINK1. CS caused cell death, which was reduced by administration of necrosis or necroptosis inhibitors. Genetic deficiency of PINK1 and the mitochondrial division/mitophagy inhibitor Mdivi-1 protected against CS-induced cell death and mitochondrial dysfunction in vitro and reduced the phosphorylation of MLKL, a substrate for RIP3 in the necroptosis pathway. Moreover, Pink1(-/-) mice were protected against mitochondrial dysfunction, airspace enlargement, and mucociliary clearance (MCC) disruption during CS exposure. Mdivi-1 treatment also ameliorated CS-induced MCC disruption in CS-exposed mice. In human COPD, lung epithelial cells displayed increased expression of PINK1 and RIP3. These findings implicate mitophagy-dependent necroptosis in lung emphysematous changes in response to CS exposure, suggesting that this pathway is a therapeutic target for COPD.