Abstract Tau is implicated in more than 20 neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease. Under pathological conditions, Tau dissociates from axonal microtubules and missorts to pre- and postsynaptic terminals. Patients suffer from early synaptic dysfunction prior to Tau aggregate formation, but the underlying mechanism is unclear. Here we show that pathogenic Tau binds to synaptic vesicles via its N-terminal domain and interferes with presynaptic functions, including synaptic vesicle mobility and release rate, lowering neurotransmission in fly and rat neurons. Pathological Tau mutants lacking the vesicle binding domain still localize to the presynaptic compartment but do not impair synaptic function in fly neurons. Moreover, an exogenously applied membrane-permeable peptide that competes for Tau-vesicle binding suppresses Tau-induced synaptic toxicity in rat neurons. Our work uncovers a presynaptic role of Tau that may be part of the early pathology in various Tauopathies and could be exploited therapeutically.

One of the key knowledge gaps blocking development of effective therapeutics for Alzheimer's disease (AD) is the lack of understanding of how amyloid beta (Aβ) and tau cooperate in causing disease phenotypes. Within a mouse tau deficient background, we probed the molecular, cellular and behavioural disruption triggered by wild-type human tau's influence on human Aβ-induced pathology. We find that Aβ and tau work cooperatively to cause a hyperactivity phenotype and to cause downregulation of gene transcription including many involved in synaptic function. In both our mouse model and in human post-mortem tissue, we observe accumulation of pathological tau in synapses, supporting the potential importance of synaptic tau. Importantly, tau depletion in the mice, initiated after behavioural deficits emerge, was found to correct behavioural deficits, reduce synaptic tau levels, and substantially reverse transcriptional perturbations, suggesting that lowering tau levels, particularly at the synapse, may be beneficial in AD.

Degeneration of synapses in Alzheimer's disease (AD) strongly correlates with cognitive decline, and synaptic pathology contributes to disease pathophysiology. We recently discovered that the strongest genetic risk factor for sporadic AD, apolipoprotein E epsilon 4 (APOE4), exacerbates synapse loss and synaptic accumulation of oligomeric amyloid beta in human AD brain. To begin to understand the molecular cascades involved in synapse loss in AD and how this is mediated by APOE, and to generate a resource of knowledge of changes in the synaptic proteome in AD, we conducted a proteomic screen and systematic in-silico analysis of synaptoneurosome preparations from temporal and occipital cortices of human AD and control subjects with known APOE gene status. Our analysis identified over 5,500 proteins in human synaptoneurosomes and highlighted disease, brain region, and APOE-associated changes in multiple molecular pathways including a decreased abundance in AD of proteins important for synaptic and mitochondrial function and an increased abundance of proteins involved in neuroimmune interactions and intracellular signaling.