Context

 Blood-based analytes may be indicators of pathological processes in Alzheimer disease (AD). 

Objective

 To identify plasma proteins associated with AD pathology using a combined proteomic and neuroimaging approach. 

Design

 Discovery-phase proteomics to identify plasma proteins associated with correlates of AD pathology. Confirmation and validation using immunodetection in a replication set and an animal model. 

Setting

 A multicenter European study (AddNeuroMed) and the Baltimore Longitudinal Study of Aging. 

Participants

 Patients with AD, subjects with mild cognitive impairment, and healthy controls with standardized clinical assessments and structural neuroimaging. 

Main Outcome Measures

 Association of plasma proteins with brain atrophy, disease severity, and rate of clinical progression. Extension studies in humans and transgenic mice tested the association between plasma proteins and brain amyloid. 

Results

 Clusterin/apolipoprotein J was associated with atrophy of the entorhinal cortex, baseline disease severity, and rapid clinical progression in AD. Increased plasma concentration of clusterin was predictive of greater fibrillar amyloid-β burden in the medial temporal lobe. Subjects with AD had increased clusterin messenger RNA in blood, but there was no effect of single-nucleotide polymorphisms in the gene encoding clusterin with gene or protein expression.APP/PS1transgenic mice showed increased plasma clusterin, age-dependent increase in brain clusterin, as well as amyloid and clusterin colocalization in plaques. 

Conclusions

 These results demonstrate an important role of clusterin in the pathogenesis of AD and suggest that alterations in amyloid chaperone proteins may be a biologically relevant peripheral signature of AD.

Abstract Glycogen synthase kinase‐3 (GSK‐3) is a serine/threonine kinase regulating diverse cellular functions including metabolism, transcription and cell survival. Numerous intracellular signalling pathways converge on GSK‐3 and regulate its activity via inhibitory serine‐phosphorylation. Recently, GSK‐3 has been involved in learning and memory and in neurodegeneration. Here, we present evidence that implicates GSK‐3 in synaptic plasticity. We show that phosphorylation at the inhibitory Ser9 site on GSK‐3β is increased upon induction of long‐term potentiation (LTP) in both hippocampal subregions CA1 and the dentate gyrus (DG) in vivo . The increase in inhibitory GSK‐3β phosphorylation is robust and persists for at least one hour postinduction. Furthermore, we find that LTP is impaired in transgenic mice conditionally overexpressing GSK‐3β. The LTP deficits can be attenuated/rescued by chronic treatment with lithium, a GSK‐3 inhibitor. These results suggest that the inhibition of GSK‐3 facilitates the induction of LTP and this might explain some of the negative effects of GSK‐3 on learning and memory. It follows that this role of GSK‐3β in LTP might underlie some of the cognitive dysfunction in diseases where GSK‐3 dysfunction has been implicated, including Alzheimer's and other dementias.

Although the mechanism of Aβ action in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD) has remained elusive, it is known to increase the expression of the antagonist of canonical wnt signalling, Dickkopf-1 (Dkk1), whereas the silencing of Dkk1 blocks Aβ neurotoxicity. We asked if clusterin, known to be regulated by wnt, is part of an Aβ/Dkk1 neurotoxic pathway. Knockdown of clusterin in primary neurons reduced Aβ toxicity and DKK1 upregulation and, conversely, Aβ increased intracellular clusterin and decreased clusterin protein secretion, resulting in the p53-dependent induction of DKK1. To further elucidate how the clusterin-dependent induction of Dkk1 by Aβ mediates neurotoxicity, we measured the effects of Aβ and Dkk1 protein on whole-genome expression in primary neurons, finding a common pathway suggestive of activation of wnt–planar cell polarity (PCP)–c-Jun N-terminal kinase (JNK) signalling leading to the induction of genes including EGR1 (early growth response-1), NAB2 (Ngfi-A-binding protein-2) and KLF10 (Krüppel-like factor-10) that, when individually silenced, protected against Aβ neurotoxicity and/or tau phosphorylation. Neuronal overexpression of Dkk1 in transgenic mice mimicked this Aβ-induced pathway and resulted in age-dependent increases in tau phosphorylation in hippocampus and cognitive impairment. Furthermore, we show that this Dkk1/wnt–PCP–JNK pathway is active in an Aβ-based mouse model of AD and in AD brain, but not in a tau-based mouse model or in frontotemporal dementia brain. Thus, we have identified a pathway whereby Aβ induces a clusterin/p53/Dkk1/wnt–PCP–JNK pathway, which drives the upregulation of several genes that mediate the development of AD-like neuropathologies, thereby providing new mechanistic insights into the action of Aβ in neurodegenerative diseases.

Abstract Blood proteins and their complexes have become the focus of a great deal of interest in the context of their potential as biomarkers of Alzheimer's disease (AD). We used a SOMAscan assay for quantifying 1001 proteins in blood samples from 331 AD, 211 controls, and 149 mild cognitive impaired (MCI) subjects. The strongest associations of protein levels with AD outcomes were prostate‐specific antigen complexed to α1‐antichymotrypsin (AD diagnosis), pancreatic prohormone (AD diagnosis, left entorhinal cortex atrophy, and left hippocampus atrophy), clusterin (rate of cognitive decline), and fetuin B (left entorhinal atrophy). Multivariate analysis found that a subset of 13 proteins predicted AD with an accuracy of area under the curve of 0.70. Our replication of previous findings provides further evidence that levels of these proteins in plasma are truly associated with AD. The newly identified proteins could be potential biomarkers and are worthy of further investigation.

Synaptogenesis involves the transformation of dendritic filopodial contacts into stable connections with the exact apposition of synaptic components. Signalling triggered by Wnt/β-catenin and calcium has been postulated to aid this process. However, it is unclear how such a signalling process orchestrates synapse formation to organise the spatial arrangement of synapses along dendrites. We show that Wnt7a is loaded on dynamic dendritic filopodia during spine formation in human cortical neurons. Wnt7a is present at the tips of the filopodia and the contact sites with dendrites of neighbouring neurons, triggering spatially restricted localisation of the Wnt co-receptor Lrp6. Here, we find the induction of calcium transients, the clustering of pre- and postsynaptic proteins, and the subsequent transformation into mature spines. Although soluble Wnt7a protein can also support synaptogenesis, it fails to provide this degree of spatial information for spine formation and calcium transients and synaptic markers are induced ectopically along the dendrites. Our data suggest that dendritic filopodia are Wnt7a-bearing cytonemes required for focal calcium signalling, initiate synapse formation, and provide an elegant mechanism for orchestrating the positioning of synapses along dendrites.

Abstract Senile plaques are a hallmark of Alzheimer’s disease (AD) that develop in its earliest stages. Thus, non-invasive detection of these plaques would be invaluable for diagnosis and the development and monitoring of treatments, but this remains a challenge due to their small size. Here, we investigated the utility of manganese-enhanced MRI (MEMRI) for visualizing plaques in transgenic rodent models of AD across two species: 5xFAD mice and TgF344-AD rats. Fourteen mice (eight transgenic, six wild-type) and eight rats (four transgenic, four wild-type) were given subcutaneous injections of MnCl 2 and imaged in vivo using a 9.4T Bruker scanner. Susceptibility-weighted images, transverse relaxation rate (R2*) maps, and quantitative susceptibility maps were derived from high-resolution 3D multi-gradient-echo (MGE) data to directly visualize plaques. Longitudinal relaxation rate (R1) maps were derived from MP2RAGE data to measure regional manganese uptake. After scanning, the brains were processed for histology and stained for beta-amyloid (4G8 antibody), iron (Perl’s), and calcium/manganese (Alizarin Red). MnCl 2 improved signal-to-noise ratio (1.55±0.39-fold increase in MGE images) as expected, although this was not necessary for detection of plaques in the high-resolution images. Plaques were visible in susceptibility-weighted images, R2* maps, and quantitative susceptibility maps, with increased R2* and more positive magnetic susceptibility compared to surrounding tissue. In the 5xFAD mice, most MR-visible plaques were in the hippocampus, though histology confirmed plaques in the cortex and thalamus as well. In the TgF344-AD rats, many more plaques were MR-visible throughout the hippocampus and cortex. Beta-amyloid and iron staining indicate that, in both models, MR visibility was driven by plaque size and iron load. Voxel-wise comparison of R1 maps revealed increased manganese uptake in brain regions of high plaque burden in transgenic animals compared to their wild-type littermates. Interestingly, in contrast to plaque visibility in the high-resolution images, the increased manganese uptake was limited to the rhinencephalon in the TgF344-AD rats (family-wise error (FWE)-corrected p < 0.05) while it was most significantly increased in the cortex of the 5xFAD mice (FWE-corrected p < 0.3). Alizarin Red staining suggests that manganese bound to plaques in 5xFAD mice but not in TgF344-AD rats. Multi-parametric MEMRI is a simple, viable method for detecting senile plaques in rodent models of AD. Manganese-induced signal enhancement can enable higher-resolution imaging, which is key to visualizing these small amyloid deposits. We also present in vivo evidence of manganese as a potential targeted contrast agent for imaging plaques in the 5xFAD model of AD. Highlights This is the first study to use manganese-enhanced MRI (MEMRI) for direct visualization of senile plaques in rodent models of Alzheimer’s disease, in vivo . Manganese enhancement is not necessary to detect plaques but improves image contrast and signal-to-noise ratio. Manganese binds to plaques in 5xFAD mice but not in TgF344-AD rats, demonstrating potential as a targeted contrast agent for imaging plaques in certain models of AD.

Summary Neuronal circuits evolve as a precisely patterned network. In this context, a growing neuron must locate the appropriate target area on a neurite of a neighbouring cell with which to connect. Controlled target selection involves dendritic filopodial contacts and requires the exact apposition of synaptic components. Calcium signalling has been postulated to trigger the transformation from dendritic filopodia into functional synapses. However, calcium is a rather unspecific signalling system, and it needs to be clarified how the exact development of synaptic connections is controlled. Similarly, Wnt/β-catenin signalling promotes synapse formation; however, how secreted Wnts induce and maintain synapses on neuronal dendrites is not well understood. Here, we show that Wnt-7a is tethered to the tips of dynamic dendritic filopodia during spine formation in human cortical neurons. These filopodia can activate Wnt signalling precisely at the contact sites on the dendrites of an adjacent neuron. Subsequently, local calcium transients can be observed at these Wnt-positive contact sites. Depleting either the filopodial-loaded Wnt or the extracellular calcium pool blocks the clustering of pre- and post-synaptic markers, hence the establishment of stable connections. Therefore, we postulate that local Wnt-7a signalling from the tip of the dendritic filopodia, verified by simultaneous calcium signalling, provides an elegant mechanism for orchestrating focal synapse maturation.

Abstract The pan ROCK inhibitor fasudil acts as a vasodilator and has been used as a medication post cerebral stroke for the past 27 years in Japan and China. More recently, on the basis of the involvement of ROCK inhibition on synaptic function, neuronal survival and processes associated with neuroinflammation, it has been suggested that the drug may be repurposed for neurodegenerative diseases. Indeed, fasudil has demonstrated preclinical efficacy in many neurodegenerative disease models. To facilitate an understanding of the wider biological processes at play due to ROCK inhibition in the context of neurodegeneration we performed a global gene expression analysis on the brains of Alzheimer’s disease model mice treated with fasudil via peripheral i.p injection. Our results show that fasudil tends to drive gene expression in a reverse sense to that seen in postmortem neurodegenerative disease brains. The results are most striking in terms of pathway enrichment analysis where pathways regulated in Alzheimer’s disease and by fasudil treatment are overwhelmingly regulated in opposite directions. Thus, our results bolster the repurposing potential of fasudil by demonstrating an anti-neurodegenerative phenotype in a disease context and highlight the potential of in vivo transcriptional profiling of drug activity.

Background: Post-translational modifications of tau modify its interaction with binding partners and cause tau mislocalisation and altered tau function in Alzheimer's disease (AD). The AD risk gene BIN1, is a binding partner for tau, however the mechanism by which BIN1 influences tau function is not fully understood. We hypothesised that BIN1 modulates AD risk by causing damaging tau mis-sorting to the synapse. Methods: Tau and BIN1 levels, distribution and interactions were assessed in post-mortem control and AD brain and in primary neurons. In primary neurons, tau was further examined using structured illumination microscopy and immunoblotting following BIN1 knockdown, BIN1-tau interactions were examined using proximity ligation assays and tau release from neurons was measured by sensitive sandwich ELISA. Results: Proline 216 in tau was identified as critical for tau interaction with the BIN1-SH3 domain, and tau phosphorylation at serine/threonine residues disrupted this interaction. Subcellular fractionation showed that BIN1 is lost from the cytoplasm of AD brain and this correlated with the mislocalisation of phosphorylated tau to synapses. Mimicking BIN1 loss in AD by knockdown of the protein in primary neurons altered the structure of dendritic spines, caused phosphorylated tau to mis-sort to synapses and reduced the physiological release of predominantly dephosphorylated tau. Conclusions: These data suggest that BIN1 loss in AD allows phosphorylated tau to be mis-sorted to synapses which likely alters the integrity of the post-synapse, alongside reducing the functionally important release of physiological forms of tau.

The current paper describes the identification of novel candidate compounds for repositioning as treatments for Alzheimer's disease (AD) from the CMAP library. Candidate compounds were identified based on inverse correlation with transcriptome signatures developed from meta-analyses of Alzheimer RNA expression studies using the SPIED platform. The 78 compounds with a significant inverse correlation were taken forward into an in vitro programme using 6 well validated screening assays relevant to potential treatment targets in AD. Nineteen of the compounds were hits in at least 2 of these assays. A description of each of these compounds is presented.