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.

Autophagy, a major degradative pathway for proteins and organelles, is essential for survival of mature neurons. Extensive autophagic-lysosomal pathology in Alzheimer's disease brain contributes to Alzheimer's disease pathogenesis, although the underlying mechanisms are not well understood. Here, we identified and characterized marked intraneuronal amyloid-β peptide/amyloid and lysosomal system pathology in the Alzheimer's disease mouse model TgCRND8 similar to that previously described in Alzheimer's disease brains. We further establish that the basis for these pathologies involves defective proteolytic clearance of neuronal autophagic substrates including amyloid-β peptide. To establish the pathogenic significance of these abnormalities, we enhanced lysosomal cathepsin activities and rates of autophagic protein turnover in TgCRND8 mice by genetically deleting cystatin B, an endogenous inhibitor of lysosomal cysteine proteases. Cystatin B deletion rescued autophagic-lysosomal pathology, reduced abnormal accumulations of amyloid-β peptide, ubiquitinated proteins and other autophagic substrates within autolysosomes/lysosomes and reduced intraneuronal amyloid-β peptide. The amelioration of lysosomal function in TgCRND8 markedly decreased extracellular amyloid deposition and total brain amyloid-β peptide 40 and 42 levels, and prevented the development of deficits of learning and memory in fear conditioning and olfactory habituation tests. Our findings support the pathogenic significance of autophagic-lysosomal dysfunction in Alzheimer's disease and indicate the potential value of restoring normal autophagy as an innovative therapeutic strategy for Alzheimer's disease.

An additional copy of the β-amyloid precursor protein (APP) gene causes early-onset Alzheimer’s disease (AD) in trisomy 21 (DS). Endosome dysfunction develops very early in DS and AD and has been implicated in the mechanism of neurodegeneration. Here, we show that morphological and functional endocytic abnormalities in fibroblasts from individuals with DS are reversed by lowering the expression of APP or β-APP-cleaving enzyme 1 (BACE-1) using short hairpin RNA constructs. By contrast, endosomal pathology can be induced in normal disomic (2N) fibroblasts by overexpressing APP or the C-terminal APP fragment generated by BACE-1 (βCTF), all of which elevate the levels of βCTFs. Expression of a mutant form of APP that cannot undergo β-cleavage had no effect on endosomes. Pharmacological inhibition of APP γ-secretase, which markedly reduced Aβ production but raised βCTF levels, also induced AD-like endosome dysfunction in 2N fibroblasts and worsened this pathology in DS fibroblasts. These findings strongly implicate APP and the βCTF of APP, and exclude Aβ and the αCTF, as the cause of endocytic pathway dysfunction in DS and AD, underscoring the potential multifaceted value of BACE-1 inhibition in AD therapeutics.

Background Endocytic dysfunction and neurotrophin signaling deficits may underlie the selective vulnerability of hippocampal neurons during the progression of Alzheimer's disease (AD), although there is little direct in vivo and biochemical evidence to support this hypothesis. Methods Microarray analysis of hippocampal CA1 pyramidal neurons acquired via laser capture microdissection was performed using postmortem brain tissue. Validation was achieved using real-time quantitative polymerase chain reaction and immunoblot analysis. Mechanistic studies were performed using human fibroblasts subjected to overexpression with viral vectors or knockdown via small interference RNA. Results Expression levels of genes regulating early endosomes (rab5) and late endosomes (rab7) are selectively upregulated in homogeneous populations of CA1 neurons from individuals with mild cognitive impairment and AD. The levels of these genes are selectively increased as antemortem measures of cognition decline during AD progression. Hippocampal quantitative polymerase chain reaction and immunoblot analyses confirmed increased levels of these transcripts and their respective protein products. Elevation of select rab GTPases regulating endocytosis paralleled the downregulation of genes encoding the neurotrophin receptors TrkB and TrkC. Overexpression of rab5 in cells suppressed TrkB expression, whereas knockdown of TrkB expression did not alter rab5 levels, suggesting that TrkB downregulation is a consequence of endosomal dysfunction associated with elevated rab5 levels in early AD. Conclusions These data support the hypothesis that neuronal endosomal dysfunction is associated with preclinical AD. Increased endocytic pathway activity, driven by elevated rab GTPase expression, may result in long-term deficits in hippocampal neurotrophic signaling and represent a key pathogenic mechanism underlying AD progression. Endocytic dysfunction and neurotrophin signaling deficits may underlie the selective vulnerability of hippocampal neurons during the progression of Alzheimer's disease (AD), although there is little direct in vivo and biochemical evidence to support this hypothesis. Microarray analysis of hippocampal CA1 pyramidal neurons acquired via laser capture microdissection was performed using postmortem brain tissue. Validation was achieved using real-time quantitative polymerase chain reaction and immunoblot analysis. Mechanistic studies were performed using human fibroblasts subjected to overexpression with viral vectors or knockdown via small interference RNA. Expression levels of genes regulating early endosomes (rab5) and late endosomes (rab7) are selectively upregulated in homogeneous populations of CA1 neurons from individuals with mild cognitive impairment and AD. The levels of these genes are selectively increased as antemortem measures of cognition decline during AD progression. Hippocampal quantitative polymerase chain reaction and immunoblot analyses confirmed increased levels of these transcripts and their respective protein products. Elevation of select rab GTPases regulating endocytosis paralleled the downregulation of genes encoding the neurotrophin receptors TrkB and TrkC. Overexpression of rab5 in cells suppressed TrkB expression, whereas knockdown of TrkB expression did not alter rab5 levels, suggesting that TrkB downregulation is a consequence of endosomal dysfunction associated with elevated rab5 levels in early AD. These data support the hypothesis that neuronal endosomal dysfunction is associated with preclinical AD. Increased endocytic pathway activity, driven by elevated rab GTPase expression, may result in long-term deficits in hippocampal neurotrophic signaling and represent a key pathogenic mechanism underlying AD progression.

Abstract β-Amyloid precursor protein (APP) and its cleaved products are strongly implicated in Alzheimer’s disease (AD). Endosomes are highly active APP processing sites, and endosome anomalies associated with upregulated expression of early endosomal regulator, rab5, are the earliest known disease-specific neuronal response in AD. Here, we show that the rab5 effector APPL1 (adaptor protein containing pleckstrin homology domain, phosphotyrosine binding domain and leucine zipper motif) mediates rab5 overactivation in Down syndrome (DS) and AD, which is caused by elevated levels of the β-cleaved carboxy-terminal fragment of APP (βCTF). βCTF recruits APPL1 to rab5 endosomes, where it stabilizes active GTP-rab5, leading to pathologically accelerated endocytosis, endosome swelling and selectively impaired axonal transport of rab5 endosomes. In DS fibroblasts, APPL1 knockdown corrects these endosomal anomalies. βCTF levels are also elevated in AD brain, which is accompanied by abnormally high recruitment of APPL1 to rab5 endosomes as seen in DS fibroblasts. These studies indicate that persistent rab5 overactivation through βCTF–APPL1 interactions constitutes a novel APP-dependent pathogenic pathway in AD.

Abstract Lysosome dysfunction arises early and propels Alzheimer’s Disease (AD). Herein, we show that amyloid precursor protein (APP), linked to early-onset AD in Down Syndrome (DS), acts directly via its β-C-terminal fragment (βCTF) to disrupt lysosomal v-ATPase and acidification. In human DS fibroblasts, the phosphorylated 682 YENPTY internalization motif of APP-βCTF binds selectively within a pocket of the v-ATPase V0a1 subunit cytoplasmic domain and competitively inhibits association of the V1 subcomplex of v-ATPase, thereby reducing its activity. Lowering APP-βCTF Tyr 682 phosphorylation restores v-ATPase and lysosome function in DS fibroblasts and in vivo in brains of DS model mice. Notably, lowering APP-βCTF Tyr 682 phosphorylation below normal constitutive levels boosts v-ATPase assembly and activity, suggesting that v-ATPase may also be modulated tonically by phospho-APP-βCTF. Elevated APP-βCTF Tyr 682 phosphorylation in two mouse AD models similarly disrupts v-ATPase function. These findings offer new insight into the pathogenic mechanism underlying faulty lysosomes in all forms of AD.

Abstract Neuromodulation is an invaluable approach for study of neural circuits and clinical treatment of neurological diseases. Here, we report semiconducting polymer nanoparticles based photoacoustic nanotransducers (PANs) for neural stimulation. Our PANs strongly absorb light in the near-infrared second window and generate localized acoustic waves. PANs can also be surface-modified to selectively bind onto neurons. PAN-mediated activation of primary neurons in vitro is achieved with ten 3-nanosecond laser pulses at 1030 nm over a 3 millisecond duration. In vivo neural modulation of mouse brain activities and motor activities is demonstrated by PANs directly injected into brain cortex. With millisecond-scale temporal resolution, sub-millimeter spatial resolution and negligible heat deposition, PAN stimulation is a new non-genetic method for precise control of neuronal activities, opening potentials in non-invasive brain modulation.

Abstract Microwaves, with wavelengths on the order of millimeters, have centimeter-scale penetration depth and have been shown to reversibly inhibit neuronal activity. Yet, microwaves alone do not provide sufficient spatial precision to modulate target neurons without affecting surrounding tissues. Here, we report an implantable split-ring resonator (SRR) that generates a localized and enhanced microwave field at the gap site with submillimeter spatial precision. The SRR breaks the microwave diffraction limit and greatly enhances the efficiency of microwave inhibition. With the SRR, microwaves at dosages below the safe exposure limit are shown to inhibit neurons within 1 mm from the gap site. Application of the microwave SRR to suppress seizures in an in vivo model of epilepsy is demonstrated.

Abstract As a hallmark of senescent cells, the derepression of Long Interspersed Elements 1 (LINE1) transcription results in accumulated LINE1 cDNA, which triggers the secretion of the senescence-associated secretory phenotype (SASP) and paracrine senescence in a cGAS-STING pathway-dependent manner. However, transcription factors that govern senescence-associated LINE1 reactivation remain ill-defined. Here, we predict several transcription factors that bind to human LINE1 elements to regulate their transcription by analyzing the conserved binding motifs in the 5’-untranslated regions (UTR) of the commonly upregulated LINE1 elements in different types of senescent cells. Further analysis reveals that PAX5 directly binds to LINE1 5’-UTR and the binding is enhanced in senescent cells. The enrichment of PAX5 at the 5’-UTR promotes cellular senescence and SASP by activating LINE1. We also demonstrate that the longevity gene SIRT6 suppresses PAX5 transcription by directly binding to the PAX5 promoter, and overexpressing PAX5 abrogates the suppressive effect of SIRT6 on stress-dependent cellular senescence. Our work suggests that PAX5 could serve as a potential target for drug development aiming to suppress LINE1 activation and treat senescence-associated diseases.