Summary

 Microglia, the CNS-resident immune cells, play important roles in disease, but the spectrum of their possible activation states is not well understood. We derived co-regulated gene modules from transcriptional profiles of CNS myeloid cells of diverse mouse models, including new tauopathy model datasets. Using these modules to interpret single-cell data from an Alzheimer's disease (AD) model, we identified microglial subsets—distinct from previously reported "disease-associated microglia"—expressing interferon-related or proliferation modules. We then analyzed whole-tissue RNA profiles from human neurodegenerative diseases, including a new AD dataset. Correcting for altered cellular composition of AD tissue, we observed elevated expression of the neurodegeneration-related modules, but also modules not implicated using expression profiles from mouse models alone. We provide a searchable, interactive database for exploring gene expression in all these datasets (http://research-pub.gene.com/BrainMyeloidLandscape). Understanding the dimensions of CNS myeloid cell activation in human disease may reveal opportunities for therapeutic intervention.

Although angiogenesis inhibitors have provided substantial clinical benefit as cancer therapeutics, their use is limited by resistance to their therapeutic effects. While ample evidence indicates that such resistance can be influenced by the tumor microenvironment, the underlying mechanisms remain incompletely understood. Here, we have uncovered a paracrine signaling network between the adaptive and innate immune systems that is associated with resistance in multiple tumor models: lymphoma, lung and colon. Tumor-infiltrating T helper type 17 (T(H)17) cells and interleukin-17 (IL-17) induced the expression of granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) through nuclear factor κB (NF-κB) and extracellular-related kinase (ERK) signaling, leading to immature myeloid-cell mobilization and recruitment into the tumor microenvironment. The occurrence of T(H)17 cells and Bv8-positive granulocytes was also observed in clinical tumor specimens. Tumors resistant to treatment with antibodies to VEGF were rendered sensitive in IL-17 receptor (IL-17R)-knockout hosts deficient in T(H)17 effector function. Furthermore, pharmacological blockade of T(H)17 cell function sensitized resistant tumors to therapy with antibodies to VEGF. These findings indicate that IL-17 promotes tumor resistance to VEGF inhibition, suggesting that immunomodulatory strategies could improve the efficacy of anti-angiogenic therapy.

Synapse loss and Tau pathology are hallmarks of Alzheimer's disease (AD) and other tauopathies, but how Tau pathology causes synapse loss is unclear. We used unbiased proteomic analysis of postsynaptic densities (PSDs) in Tau-P301S transgenic mice to identify Tau-dependent alterations in synapses prior to overt neurodegeneration. Multiple proteins and pathways were altered in Tau-P301S PSDs, including depletion of a set of GTPase-regulatory proteins that leads to actin cytoskeletal defects and loss of dendritic spines. Furthermore, we found striking accumulation of complement C1q in the PSDs of Tau-P301S mice and AD patients. At synapses, C1q decorated perisynaptic membranes, accumulated in correlation with phospho-Tau, and was associated with augmented microglial engulfment of synapses and decline of synapse density. A C1q-blocking antibody inhibited microglial synapse removal in cultured neurons and in Tau-P301S mice, rescuing synapse density. Thus, inhibiting complement-mediated synapse removal by microglia could be a potential therapeutic target for Tau-associated neurodegeneration.

Complement pathway overactivation can lead to neuronal damage in various neurological diseases. Although Alzheimer's disease (AD) is characterized by β-amyloid plaques and tau tangles, previous work examining complement has largely focused on amyloidosis models. We find that glial cells show increased expression of classical complement components and the central component C3 in mouse models of amyloidosis (PS2APP) and more extensively tauopathy (TauP301S). Blocking complement function by deleting C3 rescues plaque-associated synapse loss in PS2APP mice and ameliorates neuron loss and brain atrophy in TauP301S mice, improving neurophysiological and behavioral measurements. In addition, C3 protein is elevated in AD patient brains, including at synapses, and levels and processing of C3 are increased in AD patient CSF and correlate with tau. These results demonstrate that complement activation contributes to neurodegeneration caused by tau pathology and suggest that blocking C3 function might be protective in AD and other tauopathies.

Human genetics and preclinical studies have identified key contributions of TREM2 to several neurodegenerative conditions, inspiring efforts to modulate TREM2 therapeutically. Here, we characterize the activities of three TREM2 agonist antibodies in multiple mixed-sex mouse models of Alzheimer's disease (AD) pathology and remyelination. Receptor activation and downstream signaling are explored in vitro, and active dose ranges are determined in vivo based on pharmacodynamic responses from microglia. For mice bearing amyloid-β (Aβ) pathology (PS2APP) or combined Aβ and tau pathology (TauPS2APP), chronic TREM2 agonist antibody treatment had limited impact on microglia engagement with pathology, overall pathology burden, or downstream neuronal damage. For mice with demyelinating injuries triggered acutely with lysolecithin, TREM2 agonist antibodies unexpectedly disrupted injury resolution. Likewise, TREM2 agonist antibodies limited myelin recovery for mice experiencing chronic demyelination from cuprizone. We highlight the contributions of dose timing and frequency across models. These results introduce important considerations for future TREM2-targeting approaches.

Abstract TPL2 (MAP3K8) is a central signaling node in the inflammatory response of peripheral immune cells. We find that TPL2 kinase activity modulates microglial cytokine release and is required for microglia-mediated neuron death in vitro . In acute in vivo neuroinflammation settings, TPL2 kinase activity regulates microglia activation states and brain cytokine levels. In a tauopathy model of chronic neurodegeneration, loss of TPL2 kinase activity reduces neuroinflammation and rescues synapse loss, brain volume loss, and behavioral deficits. Single-cell RNAseq analysis indicates protection in the tauopathy model was associated with reductions in activated microglia subpopulations as well as infiltrating peripheral immune cells. Overall, using various models, we find that TPL2 kinase activity can promote multiple harmful consequences of microglial activation in the brain including cytokine release, iNOS induction, astrocyte activation, and immune cell infiltration. Consequently, inhibiting TPL2 kinase activity could represent a potential therapeutic strategy in neurodegenerative conditions.

Pancreatic β cells undergo significant expansion and maturation during human and rodent postnatal development. Here, we used single-cell RNA-seq to characterize gene expression patterns at various stages of mouse islet cell development and uncovered a population of cells that is most abundant during the early postnatal period. This cell population lacks expression of FLTP and expresses PDGF receptors. Each of these conditions have previously been associated with proliferative capacity in β cells suggesting that we have identified the proliferative competent of β cell mass expansion. The subpopulation co-express many endocrine lineage-specific genes and exhibits a downregulation of genes associated with mitochondrial oxidative phosphorylation and global protein synthesis. It has upregulated activity of genes in the Wnt, Hippo, PDGF, and Notch pathways and has a significantly higher proliferation potential than the more mature β population. We show that activity of the Notch pathway is required in postnatal β cell expansion where it serves to maintain an undifferentiated endocrine state in the polyhormonal cell population. Collectively, our study identifies a proliferative, progenitor-like cell subpopulation in the postnatal islet as the source of postnatal β cell expansion.

Abstract INTRODUCTION Triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) agonists are being clinically evaluated as disease‐modifying therapeutics for Alzheimer's disease. Clinically translatable pharmacodynamic (PD) biomarkers are needed to confirm drug activity and select the appropriate therapeutic dose in clinical trials. METHODS We conducted multi‐omic analyses on paired non‐human primate brain and cerebrospinal fluid (CSF), and stimulation of human induced pluripotent stem cell–derived microglia cultures after TREM2 agonist treatment, followed by validation of candidate fluid PD biomarkers using immunoassays. We immunostained microglia to characterize proliferation and clustering. RESULTS We report CSF soluble TREM2 (sTREM2) and CSF chitinase‐3‐like protein 1 (CHI3L1/YKL‐40) as PD biomarkers for the TREM2 agonist hPara.09. The respective reduction of sTREM2 and elevation of CHI3L1 in brain and CSF after TREM2 agonist treatment correlated with transient microglia proliferation and clustering. DISCUSSION CSF CHI3L1 and sTREM2 reflect microglial TREM2 agonism and can be used as clinical PD biomarkers to monitor TREM2 activity in the brain. Highlights CSF soluble triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (sTREM2) reflects brain target engagement for a novel TREM2 agonist, hPara.09. CSF chitinase‐3‐like protein 1 reflects microglial TREM2 agonism. Both can be used as clinical fluid biomarkers to monitor TREM2 activity in brain.

Familial forms of neurodegenerative diseases commonly involve mutation of aggregation-prone proteins or components of the protein degradation machinery that act on aberrant proteins. Ubqln2 encodes a member of the UBL/UBA family of proteasome shuttle factors that is thought to facilitate proteasomal degradation of substrates, and mutation of this gene results in a familial form of ALS/FTD in humans. How Ubqln2 dysfunction leads to neurodegeneration, however, remains uncertain. We undertook a comprehensive study to identify proteomic changes upon Ubqln2 perturbation in multiple murine models of Ubqln2 -mediated neurodegenerative disease. By performing quantitative multiplexed proteomics on neural tissues of affected animals, we identified a small group of proteins whose abundance is tightly linked to UBQLN2 function: the ubiquitin ligase TRIM32 and two retroelement-derived proteins, PEG10 and CXX1B. Further studies using cultured cells of human origin, including induced neurons, found similar changes in protein abundance upon Ubqln2 loss, and pulse-chase studies suggested that PEG10 and TRIM32 are direct clients of UBQLN2. In conclusion, our study provides a deep understanding of the proteomic landscape of ALS-related Ubqln2 mutants and identifies candidate client proteins that are altered in vivo in disease models and whose degradation is promoted by UBQLN2.