Changes in gamma oscillations (20–50 Hz) have been observed in several neurological disorders. However, the relationship between gamma oscillations and cellular pathologies is unclear. Here we show reduced, behaviourally driven gamma oscillations before the onset of plaque formation or cognitive decline in a mouse model of Alzheimer’s disease. Optogenetically driving fast-spiking parvalbumin-positive (FS-PV)-interneurons at gamma (40 Hz), but not other frequencies, reduces levels of amyloid-β (Aβ)1–40 and Aβ 1–42 isoforms. Gene expression profiling revealed induction of genes associated with morphological transformation of microglia, and histological analysis confirmed increased microglia co-localization with Aβ. Subsequently, we designed a non-invasive 40 Hz light-flickering regime that reduced Aβ1–40 and Aβ1–42 levels in the visual cortex of pre-depositing mice and mitigated plaque load in aged, depositing mice. Our findings uncover a previously unappreciated function of gamma rhythms in recruiting both neuronal and glial responses to attenuate Alzheimer’s-disease-associated pathology. Mouse models of Alzheimer’s disease show reduced, behaviourally driven gamma oscillations before the onset of plaque formation or cognitive decline; driving neurons to oscillate at gamma frequency (40 Hz) reduces levels of amyloid-β peptides. Disrupted gamma rhythms—oscillations in the brain's neuronal circuits at around 20–50 Hz—are hallmarks of various neurological disorders and have been seen in patients with Alzheimer's disease and specific mouse models of the disease. Li-Huei Tsai and colleagues show that gamma oscillations are also disrupted in the 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease, and find reduced gamma prior to plaque formation and cognitive decline. Remarkably, by training neurons to oscillate at gamma frequency (40 Hz) in multiple mouse models including APP/PS1 and wild-type mice, amyloid-β peptide levels could be reduced.

The apolipoprotein E4 (APOE4) variant is the single greatest genetic risk factor for sporadic Alzheimer’s disease (sAD). However, the cell-type-specific functions of APOE4 in relation to AD pathology remain understudied. Here, we utilize CRISPR/Cas9 and induced pluripotent stem cells (iPSCs) to examine APOE4 effects on human brain cell types. Transcriptional profiling identified hundreds of differentially expressed genes in each cell type, with the most affected involving synaptic function (neurons), lipid metabolism (astrocytes), and immune response (microglia-like cells). APOE4 neurons exhibited increased synapse number and elevated Aβ42 secretion relative to isogenic APOE3 cells while APOE4 astrocytes displayed impaired Aβ uptake and cholesterol accumulation. Notably, APOE4 microglia-like cells exhibited altered morphologies, which correlated with reduced Aβ phagocytosis. Consistently, converting APOE4 to APOE3 in brain cell types from sAD iPSCs was sufficient to attenuate multiple AD-related pathologies. Our study establishes a reference for human cell-type-specific changes associated with the APOE4 variant.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJhMjEwM2U1MTllMDU5ZTU5NzQzNzFiY2ZkYzY2YjFmOCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc3ODM3NDAyfQ.cm_8iE6yPyIUtMA9CHuHdkKCpDzSoengfWtrTwQuK91RUFDu5wgXxv6w0LkGp3xIp4Q5ONl1L-nEkyqiD8y5XsDnNu29a6FOVkKPbcXQ_rWezgdGcufenbm5VD4lQ1jJIc236lH69WCL0EIWXgL49CYD2U02kBteDYs3OdY1fThG2C3slE8IyHEB1o6NHHpsyMLHAmkJEPUA_fNRg-NiC_Jk2khN70bJRGkX4pcIpAoo3inlbuuEHi04BCX2aBnzpTJZyManAMJK6AdyelKmaFWjYH93z-Dp8wadAwqXUIZj2l9ykRD2ucitOOP0XLYH-FJ4t9yO_sESEIZQ6NGSaQ(mp4, (11.59 MB) Download video

Histone deacetylase 2 is shown to suppress genes involved in cognitive function epigenetically, potentially opening the door to treatments for Alzheimer’s and other neurodegenerative diseases by developing HDAC2-selective inhibitors. What causes the cognitive decline associated with neurodegenerative diseases is not fully understood. This study reveals a novel epigenetic mechanism by which Alzheimer's-disease-related neurotoxicity reduces the expression of genes necessary for neural plasticity. In two mouse models of Alzheimer's disease — and in post-mortem samples from human subjects — expression of the epigenetic regulator histone deacetylase 2 (HDAC2) is elevated. Reversing the upregulation of HDAC2 by short-hairpin-RNA-mediated knockdown in mice restores the expression of HDAC2 target genes and abolishes the neurodegeneration-associated memory impairment. Cognitive decline is a debilitating feature of most neurodegenerative diseases of the central nervous system, including Alzheimer’s disease1. The causes leading to such impairment are only poorly understood and effective treatments are slow to emerge2. Here we show that cognitive capacities in the neurodegenerating brain are constrained by an epigenetic blockade of gene transcription that is potentially reversible. This blockade is mediated by histone deacetylase 2, which is increased by Alzheimer’s-disease-related neurotoxic insults in vitro, in two mouse models of neurodegeneration and in patients with Alzheimer’s disease. Histone deacetylase 2 associates with and reduces the histone acetylation of genes important for learning and memory, which show a concomitant decrease in expression. Importantly, reversing the build-up of histone deacetylase 2 by short-hairpin-RNA-mediated knockdown unlocks the repression of these genes, reinstates structural and synaptic plasticity, and abolishes neurodegeneration-associated memory impairments. These findings advocate for the development of selective inhibitors of histone deacetylase 2 and suggest that cognitive capacities following neurodegeneration are not entirely lost, but merely impaired by this epigenetic blockade.

Neuronal activity causes the rapid expression of immediate early genes that are crucial for experience-driven changes to synapses, learning, and memory. Here, using both molecular and genome-wide next-generation sequencing methods, we report that neuronal activity stimulation triggers the formation of DNA double strand breaks (DSBs) in the promoters of a subset of early-response genes, including Fos, Npas4, and Egr1. Generation of targeted DNA DSBs within Fos and Npas4 promoters is sufficient to induce their expression even in the absence of an external stimulus. Activity-dependent DSB formation is likely mediated by the type II topoisomerase, Topoisomerase IIβ (Topo IIβ), and knockdown of Topo IIβ attenuates both DSB formation and early-response gene expression following neuronal stimulation. Our results suggest that DSB formation is a physiological event that rapidly resolves topological constraints to early-response gene expression in neurons.PaperClip/cms/asset/9a2d9a10-c889-411a-bb20-694118842680/mmc9.mp3Loading ...(mp3, 4.07 MB) Download audio

The dismal success rate of clinical trials for Alzheimer’s disease (AD) motivates us to develop model systems of AD pathology that have higher predictive validity. The advent of induced pluripotent stem cells (iPSCs) allows us to model pathology and study disease mechanisms directly in human neural cells from healthy individual as well as AD patients. However, two-dimensional culture systems do not recapitulate the complexity of neural tissue, and phenotypes such as extracellular protein aggregation are difficult to observe. We report brain organoids that use pluripotent stem cells derived from AD patients and recapitulate AD-like pathologies such as amyloid aggregation, hyperphosphorylated tau protein, and endosome abnormalities. These pathologies are observed in an age-dependent manner in organoids derived from multiple familial AD (fAD) patients harboring amyloid precursor protein (APP) duplication or presenilin1 (PSEN1) mutation, compared to controls. The incidence of AD pathology was consistent amongst several fAD lines, which carried different mutations. Although these are complex assemblies of neural tissue, they are also highly amenable to experimental manipulation. We find that treatment of patient-derived organoids with β- and γ-secretase inhibitors significantly reduces amyloid and tau pathology. Moreover, these results show the potential of this model system to greatly increase the translatability of pre-clinical drug discovery in AD.

The ten-eleven translocation (Tet) family of methylcytosine dioxygenases catalyze oxidation of 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) and promote DNA demethylation. Despite the abundance of 5hmC and Tet proteins in the brain, little is known about the functions of the neuronal Tet enzymes. Here, we analyzed Tet1 knockout mice (Tet1KO) and found downregulation of multiple neuronal activity-regulated genes, including Npas4, c-Fos, and Arc. Furthermore, Tet1KO animals exhibited abnormal hippocampal long-term depression and impaired memory extinction. Analysis of the key regulatory gene, Npas4, indicated that its promoter region, containing multiple CpG dinucleotides, is hypermethylated in both naive Tet1KO mice and after extinction training. Such hypermethylation may account for the diminished expression of Npas4 itself and its downstream targets, impairing transcriptional programs underlying cognitive processes. In summary, we show that neuronal Tet1 regulates normal DNA methylation levels, expression of activity-regulated genes, synaptic plasticity, and memory extinction.

Traumatic events generate some of the most enduring forms of memories. Despite the elevated lifetime prevalence of anxiety disorders, effective strategies to attenuate long-term traumatic memories are scarce. The most efficacious treatments to diminish recent (i.e., day-old) traumata capitalize on memory updating mechanisms during reconsolidation that are initiated upon memory recall. Here, we show that, in mice, successful reconsolidation-updating paradigms for recent memories fail to attenuate remote (i.e., month-old) ones. We find that, whereas recent memory recall induces a limited period of hippocampal neuroplasticity mediated, in part, by S-nitrosylation of HDAC2 and histone acetylation, such plasticity is absent for remote memories. However, by using an HDAC2-targeting inhibitor (HDACi) during reconsolidation, even remote memories can be persistently attenuated. This intervention epigenetically primes the expression of neuroplasticity-related genes, which is accompanied by higher metabolic, synaptic, and structural plasticity. Thus, applying HDACis during memory reconsolidation might constitute a treatment option for remote traumata.

Abstract Aberrant activity of cyclin-dependent kinase (Cdk5) has been implicated in various neurodegenerative diseases. This effect is mediated by pathological cleavage of the Cdk5 activator p35 to produce the truncated product p25, exhibiting increased stability and altered substrate specificity. The benefit of blocking p25 production has been demonstrated in various rodent and human neurodegenerative models. However, important Cdk5/p35 functions in the developing and adult brain have made it challenging to selectively target the detrimental effects of Cdk5/p25 while sparing the physiological functions of Cdk5/p35. Here, we report a 12-amino acid-long peptide fragment derived from Cdk5 (the Cdk5 inhibitory (Cdk5i) peptide) that shows a high binding affinity toward the Cdk5/p25 complex and can efficiently and selectively inhibit Cdk5/p25 kinase activity. Using cellular assays, mouse neurodegeneration models and human cerebral organoids generated from patient-derived iPSCs, we demonstrate beneficial effects of the Cdk5i peptide on various pathological phenotypes including gliosis, DNA damage, and Tau hyperphosphorylation.