Astrocytic tau aggregates are seen in several primary and secondary tauopathies, including progressive supranuclear palsy (PSP), corticobasal degeneration (CBD), and chronic traumatic encephalopathy (CTE). In all cases, astrocytic tau consists exclusively of the longer (4R) tau isoform, even when adjacent neuronal aggregates consist of a mixture of 3- and 4R tau, as in CTE. The reasons for this and the mechanisms by which astrocytic tau aggregates form remain unclear. We used a combination of RNA in situ hybridization and immunofluorescence in post-mortem human brain tissue, as well as tau uptake studies in human stem cell-derived astrocytes, to determine the origins of astrocytic tau in 4R tauopathies. We found that astrocytes across tauopathies do not upregulate tau mRNA expression between diseases or between tau-positive and -negative astrocytes within PSP. We then found that stem cell-derived astrocytes preferentially take up long isoform (4R) labeled recombinant tau and that this uptake is impaired by induction of reactivity with inflammatory stimuli or nutritional stress. Astrocytes exposed to either 3R or 4R tau also showed downregulation of genes related to astrocyte differentiation. Our findings suggest that astrocytes preferentially take up neuronal 4R tau from the extracellular space, which potentially explains why astrocytic tau aggregates contain only 4R tau, and that tau uptake is impaired by decreased nutrient availability or neuroinflammation, both of which are common in the aging brain.

Abstract Tau phosphorylation and aggregation is the final common pathway for neuronal toxicity across multiple neurodegenerative diseases including Alzheimer disease, progressive supranuclear palsy, and corticobasal degeneration. We have previously shown that the fetal brain expresses high levels of phosphorylated tau, and even tau aggregates, without apparent toxic effects. The mechanisms for this remarkable resilience, however, remain unclear. In order to identify potential mediators of this resilience, we used bead-linked total tau immunoprecipitation in human fetal, adult, and Alzheimer disease brains. We then used heterologous transfection in HEK 293T cells followed by coimmunoprecipitation, mass photometry, and nuclear magnetic resonance (NMR) to further characterize the interaction of tau with one of our top hits, 14-3-3-β. We found significant differences between the tau interactome in fetal and AD brain, with little difference between adult and AD. There were significant differences in tau interaction with 14-3-3 family proteins between fetal and AD brain. We then determined that the 14-3-3 isoform with the highest difference, 14-3-3-β, preferentially interacts with 4R tau in vitro , forming a complex consisting of two 14-3-3-β, and one tau molecule. NMR studies using 15 N-labeled phosphorylated tau showed that the binding site for 14-3-3 was in the microtubule binding region of tau, which is truncated in 3R tau through the exclusion of exon 10. Our findings suggest that there are marked differences between the phospho-tau interactome in fetal and Alzheimer disease brain, including differences in interaction with the critical 14-3-3 family of protein chaperones, which may explain, in part, the resilience of fetal brain to tau toxicity.

ABSTRACT Protein aggregation in brainstem nuclei is thought to occur in the early stages of Alzheimer’s disease (AD), but its specific role in driving prodromal symptoms and disease progression is largely unknown. The dorsal raphe nucleus (DRN) contains a large population of serotonin (5-hydroxytryptamine; 5-HT) neurons that regulate mood, reward-related behavior, and sleep, which are all disrupted in AD. We report here that tau pathology is present in the DRN of individuals 54-80 years old without a known history of dementia and was found at higher frequency than α-synuclein and TDP-43. Most AD cases had tau pathology in the DRN (90%), whereas only a subset contained TDP-43 or α-synuclein, but not both (30%). To evaluate how early tau pathology impacts behavior, we overexpressed human P301L-tau in the DRN of mice and observed depressive-like behaviors and hyperactivity without any deficits in spatial memory. Tau pathology was predominantly found in neurons relative to glia and colocalized with a significant proportion of Tph2-expressing neurons in the DRN. 5-HT neurons were also hyperexcitable in P301L-tau DRN mice, and there was an increase in the amplitude of excitatory post-synaptic currents (EPSCs), suggestive of increased glutamatergic transmission. Moreover, astrocytic density was elevated in the DRN and accompanied by an increase in IL-1α and Frk expression, which is indicative of inflammation. Additionally, tau pathology was detected in axonal processes in the thalamus, hypothalamus, amygdala, and caudate putamen and a significant proportion of this tau pathology colocalized with the serotonin reuptake transporter (SERT), suggesting that tau may spread in an anterograde manner to regions outside the DRN. Together these results indicate that tau pathology accumulates in the DRN in a subset of individuals over 50 years and may lead to behavioral dysregulation, 5-HT neuronal dysfunction, and activation of local astrocytes which may be prodromal indicators of AD.