Abstract Autosomal dominant inherited mutations in the presenilin ( PS / PSEN ) genes cause early-onset familial Alzheimer’s disease (AD) by enhancing cerebral accumulation of amyloid-β (Aβ) and microtubule-associated protein tau, although the precise cellular mechanisms by which PS dysfunction drives neuronal tau pathology remain still unclear. Here, we investigated the mechanisms linking PS/γ-secretase-dependent tau pathology and autophagy by using molecular, imaging and pathological approaches in brains, fibroblasts and induced pluripotent stem cells (iPSCs)-derived neurons from mutant PSEN1 carriers, as well as in a novel tauopathy mouse model lacking PS in glutamatergic neurons. We found colocalization of phosphorylated tau with the autophagy marker p62 in the hippocampus of tauopathy patients with PSEN1 mutations, corticobasal degeneration and Pick’s disease. Remarkably, disrupted autophagic clearance of pathological tau was evidenced by increased autophagy markers and accumulation of total and AD-associated phosphorylated tau species (pTau 181, 202, 217) in hippocampal lysates and autophagosomes of familial AD-linked PSEN1 patients and PS -deficient tau transgenic mice. Human iPSC-derived neurons harboring the familial AD-linked PSEN1 G206D mutation are less sensitive to autophagy inhibition, reduce tau release and accumulate intracellular tau oligomers. Human primary fibroblasts from PSEN1 G206D and/or L286P carriers show elevated LC3 and autolysosomes indicating that these familial AD-linked PSEN1 mutations disrupt autophagy flux. PS is required for efficient autophagy-mediated tau degradation in neurons through a dual mechanism involving autophagy induction via blockage of Akt/PRAS40-dependent mTORC1 activation and promoting autophagosome/lysosome fusion. Surprisingly, pharmacological proteasome inhibition decreases tau accumulation in neurons by promoting tau release through a mechanism that requires functional PS. In conclusion, PS is required for autophagy/proteasome-mediated tau elimination in neurons, while familial AD-linked PSEN mutations cause progressive tau pathology by disrupting autophagy. These findings may impact on the development of new therapeutic targets for tauopathy dementias.

ABSTRACT Mutations in the glucocerebrosidase 1 ( GBA1 ) gene, encoding a lysosomal enzyme, are major risk factors for Parkinsońs disease (PD). The impact of GBA1 mutations on neuronal maturation, function and degeneration was investigated in dopaminergic (DA) neurons obtained from our repository of induced pluripotent stem cells (iPS cells or iPSCs), cells derived from PD patients carrying the heterozygous N370S or L444P mutation in GBA1 , or from healthy subjects (controls). DA neurons co-expressing TH and VGLUT2 were detected in the cultures, and their number and/or expression of SLC17A6/VGLUT2 mRNA was markedly reduced in both N370S and L444P cultures. Electrophysiological recordings revealed a significant increase in the firing rate of N370S but not L444P neurons, whereas evoked dopamine release was stronger from neurons carrying either mutation than from the controls. Remarkably, neurons carrying either GBA1 mutation accumulated abundant degenerative bodies, multilamellar bodies, autophagosomes and Golgi apparatus vacuolated dictyosomes, with some differences in neurons carrying the N370S or L444P mutation. Furthermore, there was a significant accumulation of α-synuclein aggregates in the cell body and dendrites of N370S neurons. Notably, a significant upregulation of the small chaperone CRYAB (HSPB5/alpha-crystallin-B) was found early in DA neuron differentiation and in the Substantia Nigra of PD patients. Our findings indicate that N370S and L444P GBA1 mutations produce some similar and other distinct molecular, electrical and ultrastructural alterations in DA neurons. They suggest that these mutations impair the VGLUT2 subpopulation of midbrain DA neurons, and provoke stress responses early in the neuronal differentiation programme.