Abstract Introduction Increasing evidence suggests a role for the gut microbiome in central nervous system disorders and specific role for the gut-brain axis in neurodegeneration. Bile acids (BA), products of cholesterol metabolism and clearance, are produced in the liver and are further metabolized by gut bacteria. They have major regulatory and signaling functions and seem dysregulated in Alzheimer disease (AD). Methods Serum levels of 15 primary and secondary BAs and their conjugated forms were measured in 1,464 subjects including 370 cognitively normal older adults (CN), 284 with early mild cognitive impairment (MCI), 505 with late MCI, and 305 AD cases enrolled in the AD Neuroimaging Initiative. We assessed associations of BA profiles including selected ratios with diagnosis, cognition, and AD-related genetic variants, adjusting for cofounders and multiple testing. Results In AD compared to CN, we observed significantly lower serum concentrations of a primary BA (cholic acid CA) and increased levels of the bacterially produced, secondary BA, deoxycholic acid (DCA), and its glycine and taurine conjugated forms. An increased ratio of DCA:CA, which reflects 7α-dehydroxylation of CA by gut bacteria, strongly associated with cognitive decline, a finding replicated in serum and brain samples in the Rush Religious Orders and Memory and Aging Project. Several genetic variants in immune response related genes implicated in AD showed associations with BA profiles. Conclusion We report for the first time an association between altered BA profile, genetic variants implicated in AD and cognitive changes in disease using a large multicenter study. These findings warrant further investigation of gut dysbiosis and possible role of gut liver brain axis in the pathogenesis of AD.

ABSTRACT Hepatic steatosis associated with high fat diets, obesity and type 2 diabetes is thought to be the major driver of severe liver inflammation, fibrosis, and cirrhosis. Cytosolic acetyl-coenzyme A (AcCoA), a central metabolite and substrate for de novo lipogenesis (DNL), is produced from citrate by ATP-citrate lyase (ACLY) and from acetate through AcCoA synthase short chain family member 2 (ACSS2). However, the relative contributions of these two enzymes to hepatic AcCoA pools and DNL rates in response to high fat feeding is unknown. We report here that hepatocyte-selective depletion of either ACSS2 or ACLY caused similar 50% decreases in liver AcCoA levels in obese mice, showing that both pathways contribute to generation of this DNL substrate. Unexpectedly however, the hepatocyte ACLY depletion in obese mice paradoxically increased total DNL flux measured by D2O incorporation into palmitate, while in contrast ACSS2 depletion had no effect. The increase in liver DNL upon ACLY depletion was associated with increased expression of nuclear sterol regulatory element-binding protein 1c (SREBP1c) and of its target DNL enzymes. This upregulated DNL enzyme expression explains the increased rate of palmitate synthesis in ACLY depleted livers. Furthermore, this increased flux through DNL may also contribute to the observed depletion of AcCoA levels due to its increased conversion to Malonyl CoA (MalCoA) and palmitate. Together, these data indicate that in HFD fed obese mice, hepatic DNL is not limited by its immediate substrates AcCoA or MalCoA, but rather by activities of DNL enzymes.

Innate immune activation plays a vital role in the development of Alzheimer's disease (AD) and related dementias (ADRD). Among which, the DNA sensing cyclic GMP-AMP synthase (cGAS)- STING pathway has been implicated in diverse aspects of AD progression. In the current study, we showed that the cGAS-STING signaling was up-regulated in AD and this elevation was mainly contributed by the microglial population other than non-microglial cell types in the brain. By establishing an inducible, microglia-specific cGAS knockout mouse model in 5xFAD background, we found that deleting microglial cGAS at the onset of amyloid-β (Aβ) pathology significantly limited plaque formation, and protected mice from Aβ-induced cognitive impairment. Mechanistically, we found cGAS was necessary for plaque-associated microglial enrichment potentially driven by IRF8, and was indispensable for the development of disease-associated microglia (DAM) phenotype. Meanwhile, the loss of microglial cGAS reduced the levels of dystrophic neurites which led to preserved synaptic integrity and neuronal function. Our study provides new insights in understanding the effects of innate immune in AD via a cell-type specific manner, and lays the foundation for potential targeted intervention of the microglial cGAS-STING pathway toward the improvement of AD.

Abstract RATIONALE Metabolomics in the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) cohort provides a powerful tool for mapping biochemical changes in AD, and a unique opportunity to learn about the association between circulating blood metabolites and brain amyloid-β deposition in AD. OBJECTIVES We examined 140 serum metabolites and their associations with brain amyloid-β deposition, cognition, and conversion from mild cognitive impairment (MCI) to AD. FINDINGS Serum-based targeted metabolite levels were measured in 1,531 ADNI participants. We performed association analysis of metabolites with brain amyloid-β deposition measured from [18F] Florbetapir PET scans. We identified nine metabolites as significantly associated with amyloid-β deposition after FDR-based multiple comparison correction. Higher levels of one acylcarnitine (C3; propionylcarnitine) and one biogenic amine (kynurenine) were associated with decreased amyloid-β accumulation. However, higher levels of seven phosphatidylcholines (PC) were associated with increased amyloid deposition. In addition, PC ae C44:4 was significantly associated with cognition and conversion from MCI to AD dementia. CONCLUSION Perturbations in PC and acylcarnitine metabolism may play a role in features intrinsic to AD including amyloid-β deposition and cognitive performance.

ABSTRACT Neuroinflammation is a major hallmark of Alzheimer’s disease and several other neurological and psychiatric disorders and is often associated with dysregulated cholesterol metabolism. Relative to homeostatic microglia, activated microglia express higher levels of Ch25h , an enzyme that hydroxylates cholesterol to produce 25-hydroxycholesterol (25HC). 25HC is an oxysterol with interesting immune roles stemming from its ability to regulate cholesterol biosynthesis. Since astrocytes synthesize cholesterol in the brain and transport it to other cells via apolipoprotein E (ApoE)-containing lipoproteins, we hypothesized that secreted 25HC from microglia may influence lipid metabolism as well as extracellular ApoE derived from astrocytes. Here we show that astrocytes take up externally added 25HC and respond with altered lipid metabolism. 25HC increased extracellular levels of ApoE lipoprotein particles without altering Apoe mRNA expression, due to elevated Abca1 expression via activation of LXRs and decreased ApoE reuptake due to suppressed Ldlr expression via inhibition of SREBP. Astrocytes metabolized 25HC to limit its effects on lipid metabolism via Cyp7b1, an enzyme responsible for 7α-hydroxylation of 25HC. Knockdown of Cyp7b1 expression with siRNA prolonged the effects of 25HC on astrocyte lipid metabolism. 25HC also suppressed Srebf2 expression to reduce cholesterol synthesis in astrocytes but did not affect fatty acid levels or the genes required for fatty acid synthesis. We further show that 25HC led to a doubling of the amount of cholesterol esters and their concomitant storage in lipid droplets. Our results suggest an important role for 25HC in regulating astrocyte lipid metabolism.

Summary Autophagy is a homeostatic degradative process for cell components that enables stress resilience and can determine cellular fate and function. However, lipid sources for the rapid membrane expansions of autophagosomes, the workhorses of autophagy, are poorly understood. Here, we identify de novo lipogenesis (DNL) as a critical source of fatty acids (FA) to fuel autophagosome dynamics in adipocytes. Adipocyte fatty acid synthase (Fasn) deficiency markedly impairs autophagy, evident by autophagosome accumulation, and severely compromises degradation of the autophagic substrate p62. Autophagy dependence on FA produced by Fasn is not fully alleviated by exogenous FA in cultured adipocytes even though lipid droplet size is restored. Imaging studies reveal that Fasn colocalizes with nascent autophagosomes, while loss of Fasn decreases certain membrane phosphoinositides known to be required for autophagosome assembly. Together, our studies highlight a newly appreciated function for adipocyte DNL in autophagosome membrane formation and provide evidence that localized FA synthesis contributes to autophagosome dynamics.

Abstract The interconnection between obesity and central nervous system (CNS) neurological dysfunction has been widely appreciated. Accumulating evidence demonstrates that obesity is a risk factor for CNS neuroinflammation and cognitive impairment. However, the extent to which CNS disruption influences peripheral metabolism remains to be elucidated. We previously reported that myelin-enriched sulfatide loss leads to CNS neuroinflammation and cognitive decline. In this study, we further investigated the impact of CNS sulfatide deficiency on peripheral metabolism while considering sex- and age-specific effects. We found that female sulfatide-deficient mice gained significantly more body weight, exhibited higher basal glucose levels, and were glucose intolerant during glucose-tolerance test (GTT) compared to age-matched controls under a normal diet, whereas male sulfatide-deficient mice only displayed glucose intolerance at a much older age compared to female sulfatide-deficient mice. Mechanistically, we found the increased body weight was associated with increased food intake and elevated neuroinflammation, especially in the hypo-thalamus, in a sex-specific manner. Our results suggest that CNS sulfatide deficiency leads to sex-specific alterations in energy homeostasis via dysregulated hypothalamic control of food-intake.

ABSTRACT Alzheimer’s disease (AD) is characterized by amyloid plaques and neurofibrillary tangles in addition to neuroinflammation and changes in brain lipid metabolism. Recent findings have demonstrated that microglia are key drivers of neurodegeneration in tauopathy mouse models. A subset of microglia referred to as disease-associated microglia (DAM) display gene signatures signifying changes in proinflammatory signaling and lipid metabolism in mouse models of amyloid and tau pathology. Ch25h is a DAM gene encoding cholesterol 25-hydroxylase that produces 25-hydroxycholesterol (25HC), a known modulator of inflammation as well as lipid metabolism. However, whether Ch25h influences tau-mediated neuroinflammation and neurodegeneration is unknown. Here, we show that in the absence of Ch25h and the resultant reduction in 25HC there is strikingly reduced age-dependent neurodegeneration and neuroinflammation in the hippocampus and entorhinal/piriform cortex of PS19 mice, which express the P301S mutant human tau transgene. Transcriptomic analyses of bulk hippocampal tissue and single nuclei revealed that Ch25h deficiency in PS19 mice strongly suppressed proinflammatory cytokine and chemokine signaling in microglia and restored sterol synthesis. Our results suggest a key role for Ch25h/25HC in potentiating proinflammatory signaling to promote tau-mediated neurodegeneration. Ch25h may represent a novel therapeutic target for primary tauopathies, AD, and other neuroinflammatory diseases.

TMEM106B is an endolysosomal transmembrane protein not only associated with multiple neurological disorders including frontotemporal dementia, Alzheimer9s disease, and hypomyelinating leukodystrophy but also potentially involved in COVID-19. Additionally, recent studies have identified amyloid fibrils of C-terminal TMEM106B in both aged healthy and neurodegenerative brains. However, so far little is known about physiological functions of TMEM106B in the endolysosome and how TMEM106B is involved in a wide range of human conditions at molecular levels. Here, we performed lipidomic analysis of the brain of TMEM106B-deficient mice. We found that TMEM106B deficiency significantly decreases levels of two major classes of myelin lipids, galactosylceramide and its sulfated derivative sulfatide. Subsequent co-immunoprecipitation assay showed that TMEM106B physically interacts with galactosylceramidase. We also found that galactosyceramidase activity was significantly increased in TMEM106B-deficient brains. Thus, our results reveal a novel function of TMEM106B interacting with galactosyceramidase to regulate myelin lipid metabolism and have implications for TMEM106B-associated diseases.

Phospholipase C gamma-2 (PLCg2) catalyzes the hydrolysis of the membrane phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2) to form diacylglycerol (DAG) and inositol trisphosphate (IP3), which subsequently feed into numerous downstream signaling pathways. PLCG2 polymorphisms are associated with both reduced and increased risk of Alzheimer9s disease (AD) and with longevity. In the brain, PLCG2 is highly expressed in microglia, where it is proposed to regulate phagocytosis, secretion of cytokines/chemokines, cell survival and proliferation. We analyzed the brains of three-month-old PLCg2 knockout (KO), heterozygous (HET), and wild-type (WT) mice using multiomics approaches, including shotgun lipidomics, proteomics, and gene expression profiling, and immunofluorescence. Lipidomic analyses revealed sex-specific losses of total cerebrum PIP2 and decreasing trends of DAG content in KOs. In addition, PLCg2 depletion led to significant losses of myelin-specific lipids and decreasing trends of myelin-enriched lipids. Consistent with our lipidomics results, RNA profiling revealed sex-specific changes in the expression levels of several myelin-related genes. Further, consistent with the available literature, gene expression profiling revealed subtle changes on microglia phenotype in mature adult KOs under baseline conditions, suggestive of reduced microglia reactivity. Immunohistochemistry confirmed subtle differences in density of microglia and oligodendrocytes in KOs. Exploratory proteomic pathway analyses revealed changes in KO and HET females compared to WTs, with over-abundant proteins pointing to mTOR signaling, and under-abundant proteins to oligodendrocytes. Overall, our data indicate that loss of PLCg2 has subtle effects on brain homeostasis that may underlie enhanced vulnerability to AD pathology and aging via novel mechanisms in addition to regulation of microglia function.