Several heterozygous missense mutations in the triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) have recently been linked to risk for a number of neurological disorders including Alzheimer disease (AD), Parkinson disease, and frontotemporal dementia. These discoveries have re-ignited interest in the role of neuroinflammation in the pathogenesis of neurodegenerative diseases. TREM2 is highly expressed in microglia, the resident immune cells of the central nervous system. Along with its adaptor protein, DAP12, TREM2 regulates inflammatory cytokine release and phagocytosis of apoptotic neurons. Here, we report apolipoprotein E (apoE) as a novel ligand for TREM2. Using a biochemical assay, we demonstrated high-affinity binding of apoE to human TREM2. The functional significance of this binding was highlighted by increased phagocytosis of apoE-bound apoptotic N2a cells by primary microglia in a manner that depends on TREM2 expression. Moreover, when the AD-associated TREM2-R47H mutant was used in biochemical assays, apoE binding was vastly reduced. Our data demonstrate that apoE-TREM2 interaction in microglia plays critical roles in modulating phagocytosis of apoE-bound apoptotic neurons and establish a critical link between two proteins whose genes are strongly linked to the risk for AD.

Abstract APOE4 is the strongest genetic risk factor associated with late-onset Alzheimer’s disease (AD). To address the underlying mechanism, we develop cerebral organoid models using induced pluripotent stem cells (iPSCs) with APOE ε3/ε3 or ε4/ε4 genotype from individuals with either normal cognition or AD dementia. Cerebral organoids from AD patients carrying APOE ε4/ε4 show greater apoptosis and decreased synaptic integrity. While AD patient-derived cerebral organoids have increased levels of Aβ and phosphorylated tau compared to healthy subject-derived cerebral organoids, APOE4 exacerbates tau pathology in both healthy subject-derived and AD patient-derived organoids. Transcriptomics analysis by RNA-sequencing reveals that cerebral organoids from AD patients are associated with an enhancement of stress granules and disrupted RNA metabolism. Importantly, isogenic conversion of APOE4 to APOE3 attenuates the APOE4 -related phenotypes in cerebral organoids from AD patients. Together, our study using human iPSC-organoids recapitulates APOE4 -related phenotypes and suggests APOE4 -related degenerative pathways contributing to AD pathogenesis.

Abstract The apolipoprotein E ( APOE ) gene is the strongest genetic risk factor for Alzheimer’s disease (AD); however, how it modulates brain homeostasis is not clear. The apoE protein is a major lipid carrier in the brain transporting lipids such as cholesterol among different brain cell types. Here, we show that APOE deficiency in human iPSC-derived cerebral organoids impacts brain lipid homeostasis by modulating multiple cellular and molecular pathways. Molecular profiling through single cell RNA-sequencing revealed that APOE deficiency leads to changes in cellular composition of isogenic cerebral organoids likely by modulating the EIF2 signaling pathway as these events were alleviated by the treatment of a pathway inhibitor ISRIB. APOE deletion also leads to activation of the Wnt/β-catenin signaling pathway with concomitant decrease of SFRP1 expression in glia cells. Importantly, the critical role of apoE in cell type-specific lipid homeostasis was observed upon APOE deletion in cerebral organoids with a specific upregulation of cholesterol biosynthesis in excitatory neurons and excessive lipid accumulation in astrocytes. Relevant to human AD, APOE4 cerebral organoids show altered neurogenesis and cholesterol metabolism compared to those with APOE3 . Our work demonstrates critical roles of apoE in brain homeostasis and offers critical insights into the APOE4 -related pathogenic mechanisms.

Abstract The p.H157Y variant of TREM2 (Triggering Receptor Expressed on Myeloid Cells 2) has been reported to increase Alzheimer’s disease (AD) risk. This mutation in the extracellular domain of TREM2 localizes at the cleavage site, leading to enhanced shedding. Here, we generated a novel Trem2 H157Y knock-in mouse model to investigate how this H157Y mutation impacts TREM2 proteolytic processing, synaptic function, and AD-related amyloid pathology. Consistent with previous in vitro findings, TREM2-H157Y increases the amount of soluble TREM2 (sTREM2) in the cortex and serum of mutant mice compared to the wild type controls. Interestingly, the Trem2 H157Y variant enhances synaptic plasticity without affecting microglial density and morphology. In the presence of amyloid pathology, TREM2-H157Y surprisingly accelerates Aβ clearance and reduces amyloid burden and microgliosis. Taken together, our findings support a beneficial effect of the Trem2 H157Y mutation in synaptic function and in mitigating amyloid pathology. Considering the genetic association of TREM2 p.H157Y with AD, we speculate TREM2-H157Y might increase AD risk through an amyloid-independent pathway, as such its effects on tauopathy and neurodegeneration merit further investigation.

Alzheimer's disease (AD) is neuropathologically characterized by amyloid-beta (Aβ) plaques and neurofibrillary tangles. Main protein components of these hallmarks include Aβ40, Aβ42, tau, phospho-tau and APOE. With the exception of the APOE -ϵ4 variant, genetic risk factors associated with brain biochemical measures of these proteins have yet to be characterized. We performed a genome-wide association study in brains of 441 AD patients for levels of these proteins collected from three distinct fractions reflecting soluble, membrane-bound and insoluble biochemical states. We identified 123 genome-wide significant associations at seven novel loci and the APOE locus. Genes and variants at these loci also associate with multiple AD-related measures, regulate gene expression, have cell-type specific enrichment, and roles in brain health and other neuropsychiatric diseases. Pathway analysis identified significant enrichment of shared and distinct biological pathways. Although all biochemical measures tested reflect proteins core to AD pathology, our results strongly suggest that each have unique genetic architecture and biological pathways that influence their specific biochemical states in the brain. Our novel approach of deep brain biochemical endophenotype GWAS has implications for pathophysiology of proteostasis in AD that can guide therapeutic discovery efforts focused on these proteins.

Abstract Triggering receptor expressed on myeloid cell 2 (TREM2) is a surface receptor that, in the central nervous system, is exclusively expressed on microglia. TREM2 variants have been linked to increased risk for neurodegenerative diseases, but the functional effects of microglial TREM2 remain largely unknown. To this end, we investigated TAR-DNA binding protein 43 kDa (TDP-43)-related neurodegenerative disease via viral-mediated expression of human TDP-43 protein (hTDP-43) in neonatal and adult mice or inducible expression of hTDP43 with defective nuclear localization signals in transgenic mice. We found that TREM2 deficiency impaired microglia phagocytic clearance of pathological TDP-43, and enhanced neuronal damage and motor function impairments. Mass cytometry analysis revealed that hTDP-43 induced a TREM2-dependent subpopulation of microglia with high CD11c expression and higher phagocytic ability. Using mass spectrometry and surface plasmon resonance analysis, we further demonstrated an interaction between TDP-43 and TREM2, in vitro and in vivo, in hTDP-43-expressing transgenic mouse brains. We computationally identified the region within hTDP-43 that interacts with TREM2 and observed the potential interaction in ALS patient tissues. Our data reveal the novel interaction between TREM2 and TDP-43, highlighting that TDP-43 is a possible ligand for microglial TREM2 and the interaction mediates neuroprotection of microglial TREM2 in TDP-43-related neurodegeneration.