Although the microglial activation is concomitant to the Alzheimer's disease, its precise role (neuroprotection vs neurodegeneration) has not yet been resolved. Here, we show the existence of an age-dependent phenotypic change of microglial activation in the hippocampus of PS1xAPP model, from an alternative activation state with Aβ phagocytic capabilities (at 6 months) to a classic cytotoxic phenotype (expressing TNF-α and related factors) at 18 months of age. This switch was coincident with high levels of soluble Aβ oligomers and a significant pyramidal neurodegeneration. In vitro assays, using astromicroglial cultures, demonstrated that oligomeric Aβ42 and soluble extracts from 18-month-old PS1xAPP hippocampus produced a potent TNF-α induction whereas monomeric Aβ42 and soluble extract from 6- or 18-month-old control and 6-month-old PS1xAPP hippocampi produced no stimulation. This stimulatory effect was avoided by immunodepletion using 6E10 or A11. In conclusion, our results show evidence of a switch in the activated microglia phenotype from alternative, at the beginning of Aβ pathology, to a classical at advanced stage of the disease in this model. This change was induced, at least in part, by the age-dependent accumulation of extracellular soluble Aβ oligomers. Finally, these cytotoxic activated microglial cells could participate in the neuronal lost observed in AD.

Alzheimer's disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease in which the formation of extracellular aggregates of amyloid beta (Aβ) peptide, fibrillary tangles of intraneuronal tau and microglial activation are major pathological hallmarks. One of the key molecules involved in microglial activation is galectin-3 (gal3), and we demonstrate here for the first time a key role of gal3 in AD pathology. Gal3 was highly upregulated in the brains of AD patients and 5xFAD (familial Alzheimer's disease) mice and found specifically expressed in microglia associated with Aβ plaques. Single-nucleotide polymorphisms in the LGALS3 gene, which encodes gal3, were associated with an increased risk of AD. Gal3 deletion in 5xFAD mice attenuated microglia-associated immune responses, particularly those associated with TLR and TREM2/DAP12 signaling. In vitro data revealed that gal3 was required to fully activate microglia in response to fibrillar Aβ. Gal3 deletion decreased the Aβ burden in 5xFAD mice and improved cognitive behavior. Interestingly, a single intrahippocampal injection of gal3 along with Aβ monomers in WT mice was sufficient to induce the formation of long-lasting (2 months) insoluble Aβ aggregates, which were absent when gal3 was lacking. High-resolution microscopy (stochastic optical reconstruction microscopy) demonstrated close colocalization of gal3 and TREM2 in microglial processes, and a direct interaction was shown by a fluorescence anisotropy assay involving the gal3 carbohydrate recognition domain. Furthermore, gal3 was shown to stimulate TREM2-DAP12 signaling in a reporter cell line. Overall, our data support the view that gal3 inhibition may be a potential pharmacological approach to counteract AD.

Microglial activation has been considered a crucial player in the pathological process of multiple human neurodegenerative diseases. In some of these pathologies, such as Amyotrophic Lateral Sclerosis or Multiple Sclerosis, the immune system and microglial cells (as part of the cerebral immunity) play a central role. In other degenerative processes, such as Alzheimer's disease (AD), the role of microglia is far to be elucidated. In this "mini-review" article, we briefly highlight our recent data comparing the microglial response between amyloidogenic transgenic models, such as APP/PS1 and AD patients. Since the AD pathology could display regional heterogeneity, we focus our work at the hippocampal formation. In APP based models a prominent microglial response is triggered around amyloid-beta (Aβ) plaques. These strongly activated microglial cells could drive the AD pathology and, in consequence, could be implicated in the neurodegenerative process observed in models. On the contrary, the microglial response in human samples is, at least, partial or attenuated. This patent difference could simply reflect the lower and probably slower Aβ production observed in human hippocampal samples, in comparison with models, or could reflect the consequence of a chronic long-standing microglial activation. Beside this differential response, we also observed microglial degeneration in Braak V-VI individuals that, indeed, could compromise their normal role of surveying the brain environment and respond to the damage. This microglial degeneration, particularly relevant at the dentate gyrus, might be mediated by the accumulation of toxic soluble phospho-tau species. The consequences of this probably deficient immunological protection, observed in AD patients, are unknown.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a major adult-onset neurodegenerative condition with no available treatment. Compelling reports point amyloid-β (Aβ) as the main etiologic agent that triggers AD. Although there is extensive evidence of detrimental crosstalk between Aβ and microglia that contributes to neuroinflammation in AD, the exact mechanism leading to neuron death remains unknown. Using postmortem human AD brain tissue, we show that Aβ pathology is associated with the necroptosis effector pMLKL. Moreover, we found that the burden of Aβo correlates with the expression of key markers of necroptosis activation. Additionally, inhibition of necroptosis by pharmacological or genetic means, reduce neurodegeneration and memory impairment triggered by Aβo in mice. Since microglial activation is emerging as a central driver for AD pathogenesis, we then tested the contribution of microglia to the mechanism of Aβo-mediated necroptosis activation in neurons. Using an in vitro model, we show that conditioned medium from Aβo-stimulated microglia elicited necroptosis in neurons through activation of TNF-α signaling, triggering extensive neurodegeneration. Notably, necroptosis inhibition provided significant neuronal protection. Together, these findings suggest that Aβo-mediated microglia stimulation in AD contributes to necroptosis activation in neurons and neurodegeneration. As necroptosis is a druggable degenerative mechanism, our findings might have important therapeutic implications to prevent the progression of AD.

ABSTRACT Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease in which the formation of extracellular aggregates of amyloid beta (Aβ) peptide, intraneuronal tau neurofibrillary tangles and microglial activation are major pathological hallmarks. One of the key molecules involved in microglial activation is galectin-3 (gal3), and we demonstrate here for the first time a key role of gal3 in AD pathology. Gal3 was highly upregulated in the brains of AD patients and 5xFAD (familial Alzheimer’s disease) mice, and found specifically expressed in microglia associated with Aβ plaques. Single nucleotide polymorphisms in the LGALS3 gene, which encodes gal3, were associated to an increased risk of AD. Gal3 deletion in 5xFAD mice attenuated microglia-associated immune responses, particularly those associated with TLR and TREM2/DAP12 signaling. In vitro data demonstrated the requirement of gal3 to fully activate microglia in response to fibrillar Aβ. Gal3 deletion decreased the Aβ burden in 5xFAD mice and improved cognitive behavior. Electron microscopy of gal3 in AD mice demonstrated i) a preferential expression of gal3 by plaque-associated microglia, ii) its presence in the extracellular space and iii) its association to Aβ plaques. Low concentrations (1 nM) of pure gal3 promoted cross-seeding fibrilization of pure Aβ. Importantly, a single intrahippocampal injection of gal3 along with Aβ monomers in WT mice was sufficient to induce the formation of insoluble Aβ aggregates that were absent when gal3 was lacking. High-resolution microscopy (STORM) demonstrated close co-localization of gal3 and TREM2 in microglial processes, and a direct interaction was shown by a fluorescence anisotropy assay involving the gal3 CRD domain. Furthermore, gal3 stimulated the TREM2-DAP12 signaling pathway. In conclusion, we provide evidence that gal3 is a central regulator of microglial immune response in AD. It drives proinflammatory activation and Aβ aggregation, as well as acting as an endogenous ligand to TREM2, a key receptor driving microglial response under disease conditions. Gal3 inhibition may, hence, be a potential pharmacological approach to counteract AD.

Aging and fertility are two interconnected processes. From invertebrates to mammals, absence of the germline increases longevity by a still not fully understood mechanism. We find that loss of function of sul-2, the Caenorhabditis elegans steroid sulfatase (STS), raises the pool of sulfated steroid hormones and increases longevity. This increased longevity requires factors involved in germline-mediated longevity (daf-16, daf-12, kri-1, tcer-1 and daf-36 genes) and is not additive to the longevity of germline-less mutants. Noteworthy, sul-2 mutations do not affect fertility. Thus, STS inactivation affects the germline signalling process regulating longevity. Interestingly, sul-2 is only expressed in sensory neurons, suggesting a regulation of germline longevity by environmental cues. We also demonstrate that treatment with the specific STS inhibitor STX64, reproduces the longevity phenotype of sul-2 mutants. Remarkably, STS inhibition by either mutation or drug treatment ameliorates protein aggregation diseases in C. elegans models of Parkinson, Huntington and Alzheimer, as well as Alzheimer disease in a mammalian model. These results open the possibility of reallocating steroid sulfatase inhibitors for the treatment of aging and aging related diseases.

Abstract Microglia play an important role in the maintenance of brain homeostasis, and microglial dysfunction plays a causative role in Alzheimer disease pathogenesis. Here we focus on the signal regulatory protein SIRPβ1, a surface receptor expressed on the myeloid cells that triggers amyloid-β and cell debris phagocytosis via TYROBP. We found that a common intragenic duplication alters the SIRPβ1 protein isoform landscape affecting both extracellular and transmembrane domains, which compromise their ability to bind oligomeric Aβ and their affinity for TYROBP. Epidemiological studies show that patients with mild cognitive impairment that are homozygous for the SIRPβ1 duplication allele show an increased cerebrospinal fluid t-Tau/Aβ ratio (p-value=0.018) and a higher risk to develop AD (OR=1.678, p-value=0.018). Magnetic resonance imaging at diagnosis showed that AD patients with the duplication allele exhibited a worse initial response to the disease. At the moment of diagnosis all patients showed equivalent Mini-Mental State Examination scores. However AD patients with the duplication allele had less hippocampal degeneration (Beta= -0.62, p-value < 0.001) and fewer white matter hyperintensities. In contrast, longitudinal studies indicate that patients bearing the duplication allele show a slower cognitive decline after correcting by baseline (p-value = 0.013). Transcriptional analysis of the patients’ hippocampus also shows that the SIRPβ1 duplication allele correlates with higher TREM2 expression and an increased microglial activation. Given the recent pharmacological approaches focused on the TREM2-TYROBP axis, we consider that the presence of this structural variant might be considered as a potential modulator of this causative pathway.

A shared hallmark of age-related neurodegenerative diseases is the chronic activation of innate immune cells, which actively contributes to the neurodegenerative process. In Alzheimer’s disease, this inflammatory milieu exacerbates both amyloid and tau pathology. A similar abnormal inflammatory response has been reported in Parkinson’s disease, with elevated levels of cytokines and other inflammatory intermediates derived from activated glial cells, which promote the progressive loss of nigral dopaminergic neurons. Understanding the causes that support this aberrant inflammatory response has become a topic of growing interest and research in neurodegeneration, with high translational potential. It has been postulated that the phenotypic shift of immune cells towards a proinflammatory state combined with the presence of immunogenic cell death fuels a vicious cycle in which mitochondrial dysfunction plays a central role. Mitochondria and mitochondria-generated reactive oxygen species are downstream effectors of different inflammatory signaling pathways, including inflammasomes. Dysfunctional mitochondria are also recognized as important producers of damage-associated molecular patterns, which can amplify the immune response. Here, we review the major findings highlighting the role of mitochondria as a checkpoint of neuroinflammation and immunogenic cell deaths in neurodegenerative diseases. The knowledge of these processes may help to find new druggable targets to modulate the inflammatory response.