Filamentous tau inclusions are hallmarks of Alzheimer's disease (AD) and related tauopathies, but earlier pathologies may herald disease onset. To investigate this, we studied wild-type and P301S mutant human tau transgenic (Tg) mice. Filamentous tau lesions developed in P301S Tg mice at 6 months of age, and progressively accumulated in association with striking neuron loss as well as hippocampal and entorhinal cortical atrophy by 9-12 months of age. Remarkably, hippocampal synapse loss and impaired synaptic function were detected in 3 month old P301S Tg mice before fibrillary tau tangles emerged. Prominent microglial activation also preceded tangle formation. Importantly, immunosuppression of young P301S Tg mice with FK506 attenuated tau pathology and increased lifespan, thereby linking neuroinflammation to early progression of tauopathies. Thus, hippocampal synaptic pathology and microgliosis may be the earliest manifestations of neurodegenerative tauopathies, and abrogation of tau-induced microglial activation could retard progression of these disorders.

Amyloid beta peptide (Abeta), the pathogenic agent of Alzheimer's disease (AD), is a physiological metabolite in the brain. We examined the role of neprilysin, a candidate Abeta-degrading peptidase, in the metabolism using neprilysin gene-disrupted mice. Neprilysin deficiency resulted in defects both in the degradation of exogenously administered Abeta and in the metabolic suppression of the endogenous Abeta levels in a gene dose-dependent manner. The regional levels of Abeta in the neprilysin-deficient mouse brain were in the distinct order of hippocampus, cortex, thalamus/striatum, and cerebellum, where hippocampus has the highest level and cerebellum the lowest, correlating with the vulnerability to Abeta deposition in brains of humans with AD. Our observations suggest that even partial down-regulation of neprilysin activity, which could be caused by aging, can contribute to AD development by promoting Abeta accumulation.

A new simple method of detecting calcium binding proteins in a protein mixture is described. A sample which might include calcium binding proteins was subjected to SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and then electrophoretically transferred to a nitrocellulose membrane. The membrane was then incubated with 45 Ca to detect calcium binding proteins as radioactive bands by autoradiography. Purified troponin-C, calmodulin, myosin DTNB light chain, and parvalbumin were clearly identified by this method. In the whole homogenate of chicken skeletal muscle, myosin DTNB light chain, troponin-C, and 55K calcium binding protein were found to be radioactive. In the frog skeletal muscle, small molecular weight proteins of approximately 13–15K and 70K protein appeared to be the calcium binding proteins. In the case of the carp skeletal muscle, small molecular weight proteins including parvalbumin and two proteins of about 80K seemed to bind calcium ion. Two high molecular weight calcium binding proteins were present in the scallop striated muscle. The procedure described can be completed within 24 h and can detect as little as 2 μg of calcium binding protein in the starting sample. Under appropriate conditions it was possible to detect only high affinity calcium binding proteins.

Accumulation of intracellular tau fibrils has been the focus of research on the mechanisms of neurodegeneration in Alzheimer’s disease (AD) and related tauopathies. Here, we have developed a class of tau ligands, phenyl/pyridinyl-butadienyl-benzothiazoles/benzothiazoliums (PBBs), for visualizing diverse tau inclusions in brains of living patients with AD or non-AD tauopathies and animal models of these disorders. In vivo optical and positron emission tomographic (PET) imaging of a transgenic mouse model demonstrated sensitive detection of tau inclusions by PBBs. A pyridinated PBB, [11C]PBB3, was next applied in a clinical PET study, and its robust signal in the AD hippocampus wherein tau pathology is enriched contrasted strikingly with that of a senile plaque radioligand, [11C]Pittsburgh Compound-B ([11C]PIB). [11C]PBB3-PET data were also consistent with the spreading of tau pathology with AD progression. Furthermore, increased [11C]PBB3 signals were found in a corticobasal syndrome patient negative for [11C]PIB-PET.

Summary

 Oligomeric forms of amyloid-β peptide (Aβ) are thought to play a pivotal role in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD), but the mechanism involved is still unclear. Here, we generated induced pluripotent stem cells (iPSCs) from familial and sporadic AD patients and differentiated them into neural cells. Aβ oligomers accumulated in iPSC-derived neurons and astrocytes in cells from patients with a familial amyloid precursor protein (APP)-E693Δ mutation and sporadic AD, leading to endoplasmic reticulum (ER) and oxidative stress. The accumulated Aβ oligomers were not proteolytically resistant, and docosahexaenoic acid (DHA) treatment alleviated the stress responses in the AD neural cells. Differential manifestation of ER stress and DHA responsiveness may help explain variable clinical results obtained with the use of DHA treatment and suggests that DHA may in fact be effective for a subset of patients. It also illustrates how patient-specific iPSCs can be useful for analyzing AD pathogenesis and evaluating drugs.

In addition to its role as an inhibitory neurotransmitter, γ-aminobutyric acid (GABA) is presumed to be involved in the development and plasticity of the nervous system. GABA is synthesized by glutamic acid decarboxylase (GAD), but the respective roles of its two isoforms (GAD65 and 67) have not been determined. The selective elimination of each GAD isoform by gene targeting is expected to clarify these issues. Recently we have produced GAD65 −/− mice and demonstrated that lack of GAD65 does not change brain GABA contents or animal behavior, except for a slight increase in susceptibility to seizures. Here we report the production of GAD67 −/− mice. These mice were born at the expected frequency but died of severe cleft palate during the first morning after birth. GAD activities and GABA contents were reduced to 20% and 7%, respectively, in the cerebral cortex of the newborn GAD67 −/− mice. Their brain, however, did not show any discernible defects. Previous pharmacological and genetic investigations have suggested the involvement of GABA in palate formation, but this is the first demonstration of a role for GAD67-derived GABA in the development of nonneural tissue.

Summary

 Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disease biochemically characterized by aberrant protein aggregation, including amyloid beta (Aβ) peptide accumulation. Protein aggregates in the cell are cleared by autophagy, a mechanism impaired in AD. To investigate the role of autophagy in Aβ pathology in vivo, we crossed amyloid precursor protein (APP) transgenic mice with mice lacking autophagy in excitatory forebrain neurons obtained by conditional knockout of autophagy-related protein 7. Remarkably, autophagy deficiency drastically reduced extracellular Aβ plaque burden. This reduction of Aβ plaque load was due to inhibition of Aβ secretion, which led to aberrant intraneuronal Aβ accumulation in the perinuclear region. Moreover, autophagy-deficiency-induced neurodegeneration was exacerbated by amyloidosis, which together severely impaired memory. Our results establish a function for autophagy in Aβ metabolism: autophagy influences secretion of Aβ to the extracellular space and thereby directly affects Aβ plaque formation, a pathological hallmark of AD.