Intracellular tau inclusions, a hallmark of several neurodegenerative diseases, propagate in the brain in an unknown fashion. Brain extracts prepared from mice expressing mutated human tau injected into mice expressing wild-type human tau induce the formation and spread of wild-type human tau inclusions. Hyperphosphorylated tau makes up the filamentous intracellular inclusions of several neurodegenerative diseases, including Alzheimer's disease1. In the disease process, neuronal tau inclusions first appear in the transentorhinal cortex from where they seem to spread to the hippocampal formation and neocortex2. Cognitive impairment becomes manifest when inclusions reach the hippocampus, with abundant neocortical tau inclusions and extracellular β-amyloid deposits being the defining pathological hallmarks of Alzheimer's disease. An abundance of tau inclusions, in the absence of β-amyloid deposits, defines Pick's disease, progressive supranuclear palsy, corticobasal degeneration and other diseases1. Tau mutations cause familial forms of frontotemporal dementia, establishing that tau protein dysfunction is sufficient to cause neurodegeneration and dementia3,4,5. Thus, transgenic mice expressing mutant (for example, P301S) human tau in nerve cells show the essential features of tauopathies, including neurodegeneration and abundant filaments made of hyperphosphorylated tau protein6,8. By contrast, mouse lines expressing single isoforms of wild-type human tau do not produce tau filaments or show neurodegeneration7,8. Here we have used tau-expressing lines to investigate whether experimental tauopathy can be transmitted. We show that injection of brain extract from mutant P301S tau-expressing mice into the brain of transgenic wild-type tau-expressing animals induces assembly of wild-type human tau into filaments and spreading of pathology from the site of injection to neighbouring brain regions.

Filamentous inclusions made of hyperphosphorylated tau are characteristic of numerous human neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease, tangle-only dementia, Pick disease, argyrophilic grain disease (AGD), progressive supranuclear palsy, and corticobasal degeneration. In Alzheimer’s disease and AGD, it has been shown that filamentous tau appears to spread in a stereotypic manner as the disease progresses. We previously demonstrated that the injection of brain extracts from human mutant P301S tau-expressing transgenic mice into the brains of mice transgenic for wild-type human tau (line ALZ17) resulted in the assembly of wild-type human tau into filaments and the spreading of tau inclusions from the injection sites to anatomically connected brain regions. Here we injected brain extracts from humans who had died with various tauopathies into the hippocampus and cerebral cortex of ALZ17 mice. Argyrophilic tau inclusions formed in all cases and following the injection of the corresponding brain extracts, we recapitulated the hallmark lesions of AGD, PSP and CBD. Similar inclusions also formed after intracerebral injection of brain homogenates from human tauopathies into nontransgenic mice. Moreover, the induced formation of tau aggregates could be propagated between mouse brains. These findings suggest that once tau aggregates have formed in discrete brain areas, they become self-propagating and spread in a prion-like manner.

Abstract Intracellular inclusions composed of hyperphosphorylated filamentous tau are a hallmark of Alzheimer’s disease, progressive supranuclear palsy, Pick’s disease and other sporadic neurodegenerative tauopathies. Recent in vitro and in vivo studies have shown that tau aggregates do not only seed further tau aggregation within neurons, but can also spread to neighbouring cells and functionally connected brain regions. This process is referred to as ‘tau propagation’ and may explain the stereotypic progression of tau pathology in the brains of Alzheimer’s disease patients. Here, we describe a novel in vivo model of tau propagation using human P301S tau transgenic mice infused unilaterally with brain extract containing tau aggregates. Infusion-related neurofibrillary tangle pathology was first observed 2 weeks post-infusion and increased in a stereotypic, time-dependent manner. Contralateral and anterior/posterior spread of tau pathology was also evident in nuclei with strong synaptic connections (efferent and afferent) to the site of infusion, indicating that spread was dependent on synaptic connectivity rather than spatial proximity. This notion was further supported by infusion-related tau pathology in white matter tracts that interconnect these regions. The rapid and robust propagation of tau pathology in this model will be valuable for both basic research and the drug discovery process.

Altered autophagy contributes to the pathogenesis of Alzheimer's disease and other tauopathies, for which curative treatment options are still lacking. We have recently shown that trehalose reduces tau pathology in a tauopathy mouse model by stimulation of autophagy. Here, we studied the effect of the autophagy inducing drug rapamycin on the progression of tau pathology in P301S mutant tau transgenic mice. Rapamycin treatment resulted in a significant reduction in cortical tau tangles, less tau hyperphosphorylation, and lowered levels of insoluble tau in the forebrain. The favourable effect of rapamycin on tau pathology was paralleled by a qualitative reduction in astrogliosis. These effects were visible with early preventive or late treatment. We further noted an accumulation of the autophagy associated proteins p62 and LC3 in aged tangle bearing P301S mice that was lowered upon rapamycin treatment. Thus, rapamycin treatment defers the progression of tau pathology in a tauopathy animal model and autophagy stimulation may constitute a therapeutic approach for patients suffering from tauopathies.