Recent experimental evidence suggests that transcellular propagation of fibrillar protein aggregates drives the progression of neurodegenerative diseases in a prion-like manner. This phenomenon is now well described in cell and animal models and involves the release of protein aggregates into the extracellular space. Free aggregates then enter neighboring cells to seed further fibrillization. The mechanism by which aggregated extracellular proteins such as tau and α-synuclein bind and enter cells to trigger intracellular fibril formation is unknown. Prior work indicates that prion protein aggregates bind heparan sulfate proteoglycans (HSPGs) on the cell surface to transmit pathologic processes. Here, we find that tau fibril uptake also occurs via HSPG binding. This is blocked in cultured cells and primary neurons by heparin, chlorate, heparinase, and genetic knockdown of a key HSPG synthetic enzyme, Ext1. Interference with tau binding to HSPGs prevents recombinant tau fibrils from inducing intracellular aggregation and blocks transcellular aggregate propagation. In vivo, a heparin mimetic, F6, blocks neuronal uptake of stereotactically injected tau fibrils. Finally, uptake and seeding by α-synuclein fibrils, but not huntingtin fibrils, occurs by the same mechanism as tau. This work suggests a unifying mechanism of cell uptake and propagation for tauopathy and synucleinopathy.

Significance Prion-like propagation of proteopathic seeds may underlie the progression of neurodegenerative diseases, including the tauopathies and synucleinopathies. We aimed to construct a versatile and simple cell assay to sensitively and specifically detect proteopathic seeding activity. Using a combination of FRET flow cytometry and a tau monoclonal FRET biosensor cell line, we report seed detection in the femtomolar range. This assay is easily applied to human brain homogenates and selectively responds to Alzheimer's disease but not Huntington's disease brains. By comparing seeding activity in a mouse model of human tauopathy, we demonstrate detection of proteopathic seeding far in advance of standard histopathological markers. Proteopathic seeding is thus an early marker of tauopathy, consistent with a causal role for tau seeds in neurodegeneration.

Aggregation of the microtubule associated protein Tau is associated with several neurodegenerative disorders, including Alzheimer disease and frontotemporal dementia. In Alzheimer disease, Tau pathology spreads progressively throughout the brain, possibly along existing neural networks. However, it is still unclear how the propagation of Tau misfolding occurs. Intriguingly, in animal models, vaccine-based therapies have reduced Tau and synuclein pathology by uncertain mechanisms, given that these proteins are intracellular. We have previously speculated that trans-cellular propagation of misfolding could be mediated by a process similar to prion pathogenesis, in which fibrillar Tau aggregates spread pathology from cell to cell. However, there has been little evidence to demonstrate true trans-cellular propagation of Tau misfolding, in which Tau aggregates from one cell directly contact Tau protein in the recipient cell to trigger further aggregation. Here we have observed that intracellular Tau fibrils are directly released into the medium and then taken up by co-cultured cells. Internalized Tau aggregates induce fibrillization of intracellular Tau in these naive recipient cells via direct protein-protein contact that we demonstrate using FRET. Tau aggregation can be amplified across several generations of cells. An anti-Tau monoclonal antibody blocks Tau aggregate propagation by trapping fibrils in the extracellular space and preventing their uptake. Thus, propagation of Tau protein misfolding among cells can be mediated by release and subsequent uptake of fibrils that directly contact native protein in recipient cells. These results support the model of aggregate propagation by templated conformational change and suggest a mechanism for vaccine-based therapies in neurodegenerative diseases.

Antisense oligonucleotides that reduce tau prevent neuronal loss and reverse tau deposition and seeding in a mouse model of tauopathy.

Although tau is a cytoplasmic protein, it is also found in brain extracellular fluids, e.g., CSF. Recent findings suggest that aggregated tau can be transferred between cells and extracellular tau aggregates might mediate spread of tau pathology. Despite these data, details of whether tau is normally released into the brain interstitial fluid (ISF), its concentration in ISF in relation to CSF, and whether ISF tau is influenced by its aggregation are unknown. To address these issues, we developed a microdialysis technique to analyze monomeric ISF tau levels within the hippocampus of awake, freely moving mice. We detected tau in ISF of wild-type mice, suggesting that tau is released in the absence of neurodegeneration. ISF tau was significantly higher than CSF tau and their concentrations were not significantly correlated. Using P301S human tau transgenic mice (P301S tg mice), we found that ISF tau is fivefold higher than endogenous murine tau, consistent with its elevated levels of expression. However, following the onset of tau aggregation, monomeric ISF tau decreased markedly. Biochemical analysis demonstrated that soluble tau in brain homogenates decreased along with the deposition of insoluble tau. Tau fibrils injected into the hippocampus decreased ISF tau, suggesting that extracellular tau is in equilibrium with extracellular or intracellular tau aggregates. This technique should facilitate further studies of tau secretion, spread of tau pathology, the effects of different disease states on ISF tau, and the efficacy of experimental treatments.

Abstract Transcellular propagation of aggregate “seeds” has been proposed to mediate progression of neurodegenerative diseases in tauopathies and α-synucleinopathies. We have previously determined that tau and α-synuclein aggregates bind heparan sulfate proteoglycans (HSPGs) on the cell surface. This mediates uptake and intracellular seeding. The specificity and mode of binding to HSPGs has been unknown. We used modified heparins to determine the size and sulfation requirements of glycosaminoglycan (GAGs) binding to aggregates in biochemical and cell uptake and seeding assays. Aggregates of tau require a precise GAG architecture with defined sulfate moieties in the N- and 6-O-positions, whereas α-synuclein and Aβ rely slightly more on overall charge on the GAGs. To determine the genetic requirements for aggregate uptake, we individually knocked out the major genes of the HSPG synthesis pathway using CRISPR/Cas9 in HEK293T cells. Knockout of EXT1, EXT2 and EXTL3, N-sulfotransferase (NDST1), and 6-O-sulfotransferase (HS6ST2) significantly reduced tau uptake. α-Synuclein was not sensitive to HS6ST2 knockout. Good correlation between pharmacologic and genetic manipulation of GAG binding by tau and α-synuclein indicates specificity that may help elucidate a path to mechanism-based inhibition of transcellular propagation of pathology.

Vitamin B12 is critical for hematopoiesis and myelination. Deficiency can cause neurologic deficits including loss of coordination and cognitive decline. However, diagnosis relies on measurement of vitamin B12 in the blood, which may not accurately reflect the concentration in the brain. Using programmable phage display, we identified an autoantibody targeting the transcobalamin receptor (CD320) in a patient with progressive tremor, ataxia, and scanning speech. Anti-CD320 impaired cellular uptake of cobalamin (B12) in vitro by depleting its target from the cell surface. Despite a normal serum concentration, B12 was nearly undetectable in her cerebrospinal fluid (CSF). Immunosuppressive treatment and high-dose systemic B12 supplementation were associated with increased B12 in the CSF and clinical improvement. Optofluidic screening enabled isolation of a patient-derived monoclonal antibody that impaired B12 transport across an in vitro model of the blood-brain barrier (BBB). Autoantibodies targeting the same epitope of CD320 were identified in seven other patients with neurologic deficits of unknown etiology, 6% of healthy controls, and 21.4% of a cohort of patients with neuropsychiatric lupus. In 132 paired serum and CSF samples, detection of anti-CD320 in the blood predicted B12 deficiency in the brain. However, these individuals did not display any hematologic signs of B12 deficiency despite systemic CD320 impairment. Using a genome-wide CRISPR screen, we found that the low-density lipoprotein receptor serves as an alternative B12 uptake pathway in hematopoietic cells. These findings dissect the tissue specificity of B12 transport and elucidate an autoimmune neurologic condition that may be amenable to immunomodulatory treatment and nutritional supplementation.