The accumulation of lysosomes and their hydrolases within neurons is a well-established neuropathologic feature of Alzheimer disease (AD). Here we show that lysosomal pathology in AD brain involves extensive alterations of macroautophagy, an inducible pathway for the turnover of intracellular constituents, including organelles. Using immunogold labeling with compartmental markers and electron microscopy on neocortical biopsies from AD brain, we unequivocally identified autophagosomes and other prelysosomal autophagic vacuoles (AVs), which were morphologically and biochemically similar to AVs highly purified from mouse liver. AVs were uncommon in brains devoid of AD pathology but were abundant in AD brains particularly, within neuritic processes, including synaptic terminals. In dystrophic neurites, autophagosomes, multivesicular bodies, multilamellar bodies, and cathepsin-containing autophagolysosomes were the predominant organelles and accumulated in large numbers. These compartments were distinguishable from lysosomes and lysosomal dense bodies, previously shown also to be abundant in dystrophic neurites. Autophagy was evident in the perikarya of affected neurons, particularly in those with neurofibrillary pathology where it was associated with a relative depletion of mitochondria and other organelles. These observations provide the first evidence that macroautophagy is extensively involved in the neurodegenerative/regenerative process in AD. The striking accumulations of immature AV forms in dystrophic neurites suggest that the transport of AVs and their maturation to lysosomes may be impaired, thereby impeding the suspected neuroprotective functions of autophagy.

Macroautophagy is a lysosomal degradative pathway essential for neuron survival. Here, we show that macroautophagy requires the Alzheimer's disease (AD)-related protein presenilin-1 (PS1). In PS1 null blastocysts, neurons from mice hypomorphic for PS1 or conditionally depleted of PS1, substrate proteolysis and autophagosome clearance during macroautophagy are prevented as a result of a selective impairment of autolysosome acidification and cathepsin activation. These deficits are caused by failed PS1-dependent targeting of the v-ATPase V0a1 subunit to lysosomes. N-glycosylation of the V0a1 subunit, essential for its efficient ER-to-lysosome delivery, requires the selective binding of PS1 holoprotein to the unglycosylated subunit and the Sec61alpha/oligosaccharyltransferase complex. PS1 mutations causing early-onset AD produce a similar lysosomal/autophagy phenotype in fibroblasts from AD patients. PS1 is therefore essential for v-ATPase targeting to lysosomes, lysosome acidification, and proteolysis during autophagy. Defective lysosomal proteolysis represents a basis for pathogenic protein accumulations and neuronal cell death in AD and suggests previously unidentified therapeutic targets.PaperClip/cms/asset/9eee02cc-691c-4edd-8666-7596a7c4aacd/mmc3.mp3Loading ...(mp3, 2.78 MB) Download audio

Macroautophagy, which is a lysosomal pathway for the turnover of organelles and long-lived proteins, is a key determinant of cell survival and longevity. In this study, we show that neuronal macroautophagy is induced early in Alzheimer's disease (AD) and before β-amyloid (Aβ) deposits extracellularly in the presenilin (PS) 1/Aβ precursor protein (APP) mouse model of β-amyloidosis. Subsequently, autophagosomes and late autophagic vacuoles (AVs) accumulate markedly in dystrophic dendrites, implying an impaired maturation of AVs to lysosomes. Immunolabeling identifies AVs in the brain as a major reservoir of intracellular Aβ. Purified AVs contain APP and β-cleaved APP and are highly enriched in PS1, nicastrin, and PS-dependent γ-secretase activity. Inducing or inhibiting macroautophagy in neuronal and nonneuronal cells by modulating mammalian target of rapamycin kinase elicits parallel changes in AV proliferation and Aβ production. Our results, therefore, link β-amyloidogenic and cell survival pathways through macroautophagy, which is activated and is abnormal in AD.

Autophagy, a major degradative pathway for proteins and organelles, is essential for survival of mature neurons. Extensive autophagic-lysosomal pathology in Alzheimer's disease brain contributes to Alzheimer's disease pathogenesis, although the underlying mechanisms are not well understood. Here, we identified and characterized marked intraneuronal amyloid-β peptide/amyloid and lysosomal system pathology in the Alzheimer's disease mouse model TgCRND8 similar to that previously described in Alzheimer's disease brains. We further establish that the basis for these pathologies involves defective proteolytic clearance of neuronal autophagic substrates including amyloid-β peptide. To establish the pathogenic significance of these abnormalities, we enhanced lysosomal cathepsin activities and rates of autophagic protein turnover in TgCRND8 mice by genetically deleting cystatin B, an endogenous inhibitor of lysosomal cysteine proteases. Cystatin B deletion rescued autophagic-lysosomal pathology, reduced abnormal accumulations of amyloid-β peptide, ubiquitinated proteins and other autophagic substrates within autolysosomes/lysosomes and reduced intraneuronal amyloid-β peptide. The amelioration of lysosomal function in TgCRND8 markedly decreased extracellular amyloid deposition and total brain amyloid-β peptide 40 and 42 levels, and prevented the development of deficits of learning and memory in fear conditioning and olfactory habituation tests. Our findings support the pathogenic significance of autophagic-lysosomal dysfunction in Alzheimer's disease and indicate the potential value of restoring normal autophagy as an innovative therapeutic strategy for Alzheimer's disease.

In vitro studies have shown that neuronal cell cultures secrete exosomes containing amyloid-β precursor protein (APP) and the APP-processing products, C-terminal fragments (CTFs) and amyloid-β (Aβ). We investigated the secretion of full-length APP (flAPP) and APP CTFs via the exosome secretory pathway in vivo. To this end, we developed a novel protocol designed to isolate exosomes secreted into mouse brain extracellular space. Exosomes with typical morphology were isolated from freshly removed mouse brains and from frozen mouse and human brain tissues, demonstrating that exosomes can be isolated from post-mortem tissue frozen for long periods of time. flAPP, APP CTFs, and enzymes that cleave both flAPP and APP CTFs were identified in brain exosomes. Although higher levels of both flAPP and APP CTFs were observed in exosomes isolated from the brains of transgenic mice overexpressing human APP (Tg2576) compared with wild-type control mice, there was no difference in the number of secreted brain exosomes. These data indicate that the levels of flAPP and APP CTFs associated with exosomes mirror the cellular levels of flAPP and APP CTFs. Interestingly, exosomes isolated from the brains of both Tg2576 and wild-type mice are enriched with APP CTFs relative to flAPP. Thus, we hypothesize that the exosome secretory pathway plays a pleiotropic role in the brain: exosome secretion is beneficial to the cell, acting as a specific releasing system of neurotoxic APP CTFs and Aβ, but the secretion of exosomes enriched with APP CTFs, neurotoxic proteins that are also a source of secreted Aβ, is harmful to the brain. In vitro studies have shown that neuronal cell cultures secrete exosomes containing amyloid-β precursor protein (APP) and the APP-processing products, C-terminal fragments (CTFs) and amyloid-β (Aβ). We investigated the secretion of full-length APP (flAPP) and APP CTFs via the exosome secretory pathway in vivo. To this end, we developed a novel protocol designed to isolate exosomes secreted into mouse brain extracellular space. Exosomes with typical morphology were isolated from freshly removed mouse brains and from frozen mouse and human brain tissues, demonstrating that exosomes can be isolated from post-mortem tissue frozen for long periods of time. flAPP, APP CTFs, and enzymes that cleave both flAPP and APP CTFs were identified in brain exosomes. Although higher levels of both flAPP and APP CTFs were observed in exosomes isolated from the brains of transgenic mice overexpressing human APP (Tg2576) compared with wild-type control mice, there was no difference in the number of secreted brain exosomes. These data indicate that the levels of flAPP and APP CTFs associated with exosomes mirror the cellular levels of flAPP and APP CTFs. Interestingly, exosomes isolated from the brains of both Tg2576 and wild-type mice are enriched with APP CTFs relative to flAPP. Thus, we hypothesize that the exosome secretory pathway plays a pleiotropic role in the brain: exosome secretion is beneficial to the cell, acting as a specific releasing system of neurotoxic APP CTFs and Aβ, but the secretion of exosomes enriched with APP CTFs, neurotoxic proteins that are also a source of secreted Aβ, is harmful to the brain.

Abstract Autophagy is a lysosomal degradative process which recycles cellular waste and eliminates potentially toxic damaged organelles and protein aggregates. The important cytoprotective functions of autophagy are demonstrated by the diverse pathogenic consequences that may stem from autophagy dysregulation in a growing number of neurodegenerative disorders. In many of the diseases associated with autophagy anomalies, it is the final stage of autophagy–lysosomal degradation that is disrupted. In several disorders, including A lzheimer's disease ( AD ), defective lysosomal acidification contributes to this proteolytic failure. The complex regulation of lysosomal p H makes this process vulnerable to disruption by many factors, and reliable lysosomal p H measurements have become increasingly important in investigations of disease mechanisms. Although various reagents for p H quantification have been developed over several decades, they are not all equally well suited for measuring the p H of lysosomes. Here, we evaluate the most commonly used p H probes for sensitivity and localisation, and identify L yso S ensor yellow/blue‐dextran, among currently used probes, as having the optimal profile of properties for measuring lysosomal p H . In addition, we review evidence that lysosomal acidification is defective in AD and extend our original findings, of elevated lysosomal p H in presenilin 1 ( PS 1)‐deficient blastocysts and neurons, to additional cell models of PS 1 and PS 1/2 deficiency, to fibroblasts from AD patients with PS 1 mutations, and to neurons in the PS / APP mouse model of AD .

Presenilin 1 (PS1) deletion or Alzheimer's disease (AD)-linked mutations disrupt lysosomal acidification and proteolysis, which inhibits autophagy. Here, we establish that this phenotype stems from impaired glycosylation and instability of vATPase V0a1 subunit, causing deficient lysosomal vATPase assembly and function. We further demonstrate that elevated lysosomal pH in Presenilin 1 knockout (PS1KO) cells induces abnormal Ca(2+) efflux from lysosomes mediated by TRPML1 and elevates cytosolic Ca(2+). In WT cells, blocking vATPase activity or knockdown of either PS1 or the V0a1 subunit of vATPase reproduces all of these abnormalities. Normalizing lysosomal pH in PS1KO cells using acidic nanoparticles restores normal lysosomal proteolysis, autophagy, and Ca(2+) homeostasis, but correcting lysosomal Ca(2+) deficits alone neither re-acidifies lysosomes nor reverses proteolytic and autophagic deficits. Our results indicate that vATPase deficiency in PS1 loss-of-function states causes lysosomal/autophagy deficits and contributes to abnormal cellular Ca(2+) homeostasis, thus linking two AD-related pathogenic processes through a common molecular mechanism.

Abstract Accumulated levels of mutant huntingtin protein (mHTT) and its fragments are considered contributors to the pathogenesis of Huntington’s disease (HD). Although lowering mHTT by stimulating autophagy has been considered a possible therapeutic strategy, the role and competence of autophagy-lysosomal pathway (ALP) during HD progression in the human disease remains largely unknown. Here, we used multiplex confocal and ultrastructural immunocytochemical analyses of ALP functional markers in relation to mHTT aggresome pathology in striatum and the less affected cortex of HD brains staged from HD2 to HD4 by Vonsattel neuropathological criteria compared to controls. Immunolabeling revealed the localization of HTT/mHTT in ALP vesicular compartments labeled by autophagy-related adaptor proteins p62/SQSTM1 and ubiquitin, and cathepsin D (CTSD) as well as HTT-positive inclusions. Although comparatively normal at HD2, neurons at later HD stages exhibited progressive enlargement and clustering of CTSD-immunoreactive autolysosomes/lysosomes and, ultrastructurally, autophagic vacuole/lipofuscin granules accumulated progressively, more prominently in striatum than cortex. These changes were accompanied by rises in levels of HTT/mHTT and p62/SQSTM1, particularly their fragments, in striatum but not in the cortex, and by increases of LAMP1 and LAMP2 RNA and LAMP1 protein. Importantly, no blockage in autophagosome formation and autophagosome-lysosome fusion was detected, thus pinpointing autophagy substrate clearance deficits as a basis for autophagic flux declines. The findings collectively suggest that upregulated lysosomal biogenesis and preserved proteolysis maintain autophagic clearance in early-stage HD, but failure at advanced stages contributes to progressive HTT build-up and potential neurotoxicity. These findings support the prospect that ALP stimulation applied at early disease stages, when clearance machinery is fully competent, may have therapeutic benefits in HD patients.