The cerebral cortex of Alzheimer's and Down syndrome patients is characterized by the presence of protein deposits in neurofibrillary tangles, neuritic plaques, and neuropil threads. These structures were shown to contain forms of β amyloid precursor protein and ubiquitin-B that are aberrant (+1 proteins) in the carboxyl terminus. The +1 proteins were not found in young control patients, whereas the presence of ubiquitin-B +1 in elderly control patients may indicate early stages of neurodegeneration. The two species of +1 proteins displayed cellular colocalization, suggesting a common origin, operating at the transcriptional level or by posttranscriptional editing of RNA. This type of transcript mutation is likely an important factor in the widely occurring nonfamilial early- and late-onset forms of Alzheimer's disease.

Abstract Cerebral organoids are 3D stem cell-derived models that can be utilized to study the human brain. The current consensus is that cerebral organoids consist of cells derived from the neuroectodermal lineage. This limits their value and applicability, as mesodermal-derived microglia are important players in neural development and disease. Remarkably, here we show that microglia can innately develop within a cerebral organoid model and display their characteristic ramified morphology. The transcriptome and response to inflammatory stimulation of these organoid-grown microglia closely mimic the transcriptome and response of adult microglia acutely isolated from post mortem human brain tissue. In addition, organoid-grown microglia mediate phagocytosis and synaptic material is detected inside them. In all, our study characterizes a microglia-containing organoid model that represents a valuable tool for studying the interplay between microglia, macroglia, and neurons in human brain development and disease.

Reactive astrocytes and microglia are associated with amyloid plaques in Alzheimer's disease (AD). Yet, not much is known about the molecular alterations underlying this reactive phenotype. To get an insight into the molecular changes underlying AD induced astrocyte and microglia reactivity, we performed a transcriptional analysis on acutely isolated astrocytes and microglia from the cortex of aged controls and APPswe/PS1dE9 AD mice. As expected, both cell types acquired a proinflammatory phenotype, which confirms the validity of our approach. Interestingly, we observed that the immune alteration in astrocytes was relatively more pronounced than in microglia. Concurrently, our data reveal that astrocytes display a reduced expression of neuronal support genes and genes involved in neuronal communication. The microglia showed a reduced expression of phagocytosis and/or endocytosis genes. Co-expression analysis of a human AD expression data set and the astrocyte and microglia data sets revealed that the inflammatory changes in astrocytes were remarkably comparable in mouse and human AD, whereas the microglia changes showed less similarity. Based on these findings we argue that chronically proinflammatory astrocyte and microglia phenotypes, showing a reduction of genes involved in neuronal support and neuronal signaling, are likely to contribute to the neuronal dysfunction and cognitive decline in AD.

Microglia, the specialized innate immune cells of the CNS, play crucial roles in neural development and function. Different phenotypes and functions have been ascribed to rodent microglia, but little is known about human microglia (huMG) heterogeneity. Difficulties in procuring huMG and their susceptibility to cryopreservation damage have limited large-scale studies. Here we applied multiplexed mass cytometry for a comprehensive characterization of postmortem huMG (103 – 104 cells). We determined expression levels of 57 markers on huMG isolated from up to five different brain regions of nine donors. We identified the phenotypic signature of huMG, which was distinct from peripheral myeloid cells but was comparable to fresh huMG. We detected microglia regional heterogeneity using a hybrid workflow combining Cytobank and R/Bioconductor for multidimensional data analysis. Together, these methodologies allowed us to perform high-dimensional, large-scale immunophenotyping of huMG at the single-cell level, which facilitates their unambiguous profiling in health and disease. Single-cell mass cytometry was applied to comprehensively characterize postmortem and fresh human microglia. Using a hybrid workflow for multidimensional data analysis, a core signature and regional heterogeneity were identified.

Glial fibrillary acidic protein (GFAP) is the main astrocytic intermediate filament (IF). GFAP splice isoforms show differential expression patterns in the human brain. GFAPδ is preferentially expressed by neurogenic astrocytes in the subventricular zone (SVZ), whereas GFAP(+1) is found in a subset of astrocytes throughout the brain. In addition, the expression of these isoforms in human brain material of epilepsy, Alzheimer and glioma patients has been reported. Here, for the first time, we present a comprehensive study of GFAP isoform expression in both wild-type and Alzheimer Disease (AD) mouse models. In cortex, cerebellum, and striatum of wild-type mice, transcripts for Gfap-α, Gfap-β, Gfap-γ, Gfap-δ, Gfap-κ, and a newly identified isoform Gfap-ζ, were detected. Their relative expression levels were similar in all regions studied. GFAPα showed a widespread expression whilst GFAPδ distribution was prominent in the SVZ, rostral migratory stream (RMS), neurogenic astrocytes of the subgranular zone (SGZ), and subpial astrocytes. In contrast to the human SVZ, we could not establish an unambiguous GFAPδ localization in proliferating cells of the mouse SVZ. In APPswePS1dE9 and 3xTgAD mice, plaque-associated reactive astrocytes had increased transcript levels of all detectable GFAP isoforms and low levels of a new GFAP isoform, Gfap-ΔEx7. Reactive astrocytes in AD mice showed enhanced GFAPα and GFAPδ immunolabeling, less frequently increased vimentin and nestin, but no GFAPκ or GFAP(+1) staining. In conclusion, GFAPδ protein is present in SVZ, RMS, and neurogenic astrocytes of the SGZ, but also outside neurogenic niches. Furthermore, differential GFAP isoform expression is not linked with aging or reactive gliosis. This evidence points to the conclusion that differential regulation of GFAP isoforms is not involved in the reorganization of the IF network in reactive gliosis or in neurogenesis in the mouse brain.

In Alzheimer's disease (AD), amyloid plaques are surrounded by reactive astrocytes with an increased expression of intermediate filaments including glial fibrillary acidic protein (GFAP). Different GFAP isoforms have been identified that are differentially expressed by specific subpopulations of astrocytes and that impose different properties to the intermediate filament network. We studied transcript levels and protein expression patterns of all known GFAP isoforms in human hippocampal AD tissue at different stages of the disease. Ten different transcripts for GFAP isoforms were detected at different abundancies. Transcript levels of most isoforms increased with AD progression. GFAPδ-immunopositive astrocytes were observed in subgranular zone, hilus, and stratum–lacunosum–moleculare. GFAPδ-positive cells also stained for GFAPα. In AD donors, astrocytes near plaques displayed increased staining of both GFAPα and GFAPδ. The reading-frame–shifted isoform, GFAP+1, staining was confined to a subset of astrocytes with long processes, and their number increased in the course of AD. In conclusion, the various GFAP isoforms show differential transcript levels and are upregulated in a concerted manner in AD. The GFAP+1 isoform defines a unique subset of astrocytes, with numbers increasing with AD progression. These data indicate the need for future exploration of underlying mechanisms concerning the functions of GFAPδ and GFAP+1 isoforms in astrocytes and their possible role in AD pathology.

Abstract There is growing evidence that mechanical factors affect brain functioning. However, brain components responsible for regulating the physiological mechanical environment and causing mechanical alterations during maturation are not completely understood. To determine the relationship between structure and stiffness of the brain tissue, we performed high resolution viscoelastic mapping by dynamic indentation of hippocampus and cerebellum of juvenile brain, and quantified relative area covered by immunohistochemical staining of NeuN (neurons), GFAP (astrocytes), Hoechst (nuclei), MBP (myelin), NN18 (axons) of juvenile and adult mouse brain slices. When compared the mechanical properties of juvenile mouse brain slices with previously obtained data on adult slices, the latter was ~ 20-150% stiffer, which correlates with an increase in the relative area covered by astrocytes. Heterogeneity within the slice, in terms of storage modulus, correlates negatively with the relative area of nuclei and neurons, as well as myelin and axons, while the relative area of astrocytes correlates positively. Several linear regression models are suggested to predict the mechanical properties of the brain tissue based on immunohistochemical stainings.

Abstract Glioma is the most common form of malignant primary brain tumours in adults. Their highly invasive nature makes the disease incurable to date, emphasizing the importance of better understanding the mechanisms driving glioma invasion. Glial fibrillary acidic protein (GFAP) is an intermediate filament protein that is characteristic for astrocyte- and neural stem cell-derived gliomas. Glioma malignancy is associated with changes in GFAP alternative splicing, as the canonical isoform GFAPα is downregulated in higher-grade tumours, leading to increased dominance of the GFAPδ isoform in the network. In this study, we used intravital imaging and an ex vivo brain slice invasion model. We show that the GFAPδ and GFAPα isoforms differentially regulate the tumour dynamics of glioma cells. Depletion of either isoform increases the migratory capacity of glioma cells. Remarkably, GFAPδ-depleted cells migrate randomly through the brain tissue, whereas GFAPα-depleted cells show a directionally persistent invasion into the brain parenchyma. This study shows that distinct compositions of the GFAP-network lead to specific migratory dynamics and behaviours of gliomas.