Abstract Alzheimer’s disease (AD) affects half the US population over the age of 85 and is universally fatal following an average course of 10 years of progressive cognitive disability. Genetic and genome-wide association studies (GWAS) have identified about 33 risk factor genes for common, late-onset AD (LOAD), but these risk loci fail to account for the majority of affected cases and can neither provide clinically meaningful prediction of development of AD nor offer actionable mechanisms. This cohort study generated large-scale matched multi-Omics data in AD and control brains for exploring novel molecular underpinnings of AD. Specifically, we generated whole genome sequencing, whole exome sequencing, transcriptome sequencing and proteome profiling data from multiple regions of 364 postmortem control, mild cognitive impaired (MCI) and AD brains with rich clinical and pathophysiological data. All the data went through rigorous quality control. Both the raw and processed data are publicly available through the Synapse software platform.

Three major molecular subtypes of Alzheimer’s disease are identified, cross-validated, and characterized across 1543 individuals.

Communication between glial cells has a profound impact on the pathophysiology of Alzheimer's disease (AD). We reveal here that reactive astrocytes control cell distancing in peri-plaque glial nets, which restricts microglial access to amyloid deposits. This process is governed by guidance receptor Plexin-B1 (PLXNB1), a network hub gene in individuals with late-onset AD that is upregulated in plaque-associated astrocytes. Plexin-B1 deletion in a mouse AD model led to reduced number of reactive astrocytes and microglia in peri-plaque glial nets, but higher coverage of plaques by glial processes, along with transcriptional changes signifying reduced neuroinflammation. Additionally, a reduced footprint of glial nets was associated with overall lower plaque burden, a shift toward dense-core-type plaques and reduced neuritic dystrophy. Altogether, our study demonstrates that Plexin-B1 regulates peri-plaque glial net activation in AD. Relaxing glial spacing by targeting guidance receptors may present an alternative strategy to increase plaque compaction and reduce neuroinflammation in AD. The axon guidance receptor Plexin-B1 regulates the cellular interaction of peri-plaque astrocytes with microglia to affect the pathophysiology of Alzheimer's disease.

To study the molecular mechanisms driving the pathogenesis and identify novel therapeutic targets of late onset Alzheimer's Disease (LOAD), we performed an integrative network analysis of whole-genome DNA and RNA sequencing profiling of four cortical areas, including the parahippocampal gyrus, across 364 donors spanning the full spectrum of LOAD-related cognitive and neuropathological disease severities. Our analyses revealed thousands of molecular changes and uncovered for the first-time multiple neuron specific gene subnetworks most dysregulated in LOAD. ATP6V1A, a critical subunit of vacuolar-type H+-ATPase (v-ATPase), was predicted to be a key regulator of one neuronal subnetwork and its role in disease-related processes was evaluated through CRISPR-based manipulation of human induced pluripotent stem cell derived neurons and RNAi-based knockdown in transgenic Drosophila models. This study advances our understanding of LOAD pathogenesis by providing the global landscape and detailed circuits of complex molecular interactions and regulations in several key brain regions affected by LOAD and the resulting network models provide a blueprint for developing next generation therapeutics against LOAD.

ABSTRACT Sensitivity to immune checkpoint blockades (ICB) depends on the overall balance of immunogenic and immunosuppressive signals in the tumor immune microenvironment (TIME). Chemotherapy as an immunostimulatory strategy showed potential in improving ICB’s clinical efficacy. Yet, evolution of highly plastic tumor-associated myeloid cells hinders ICB’s potential to reach its full therapeutic potential. In this study, we leveraged single-cell transcriptomic and trajectory analyses to delineate TIME dynamics after chemotherapy priming. We found that metronomic chemotherapy (MCT) treatment led to an accelerated T cell exhaustion through CXCL16-mediated recruitment of peripheral immature myeloid cells and expansion of STAT1-driven PD-L1 expressing myeloid cells. Inhibiting STAT1 signaling in MCT-primed breast cancer relieved T cell exhaustion and significantly enhanced the efficacy of anti-PD-1 ICB treatment. Our study leveraged single-cell analyses to dissect the dynamics of breast cancer TIME and provides a pre-clinical rationale to translate the anti-STAT1 plus anti-PD-1 combinatorial immunotherapy regimen to maximize ICB’s efficacy. Manuscript Summary Single-cell analyses on low dose chemotherapy primed breast tumor-associated immune cells demonstrates a parallel coexistence of immunogenic and immunosuppressive myeloid cell subsets. Modulating STAT1 signaling in the tumor microenvironment fine-tunes immunogenic and immunosuppressive balance and maximizes the anti-PD-1 immunotherapy efficacy in chemotherapy-primed breast cancer.