Aβ 1–42 is a self-associating peptide whose neurotoxic derivatives are thought to play a role in Alzheimer’s pathogenesis. Neurotoxicity of amyloid β protein (Aβ) has been attributed to its fibrillar forms, but experiments presented here characterize neurotoxins that assemble when fibril formation is inhibited. These neurotoxins comprise small diffusible Aβ oligomers (referred to as ADDLs, for Aβ-derived diffusible ligands), which were found to kill mature neurons in organotypic central nervous system cultures at nanomolar concentrations. At cell surfaces, ADDLs bound to trypsin-sensitive sites and surface-derived tryptic peptides blocked binding and afforded neuroprotection. Germ-line knockout of Fyn, a protein tyrosine kinase linked to apoptosis and elevated in Alzheimer’s disease, also was neuroprotective. Remarkably, neurological dysfunction evoked by ADDLs occurred well in advance of cellular degeneration. Without lag, and despite retention of evoked action potentials, ADDLs inhibited hippocampal long-term potentiation, indicating an immediate impact on signal transduction. We hypothesize that impaired synaptic plasticity and associated memory dysfunction during early stage Alzheimer’s disease and severe cellular degeneration and dementia during end stage could be caused by the biphasic impact of Aβ-derived diffusible ligands acting upon particular neural signal transduction pathways.

BACE is an enzyme necessary for the generation of neurotoxic amyloid-β in Alzheimer's disease. Claes Wahlestedt and his colleagues identify a noncoding RNA that is upregulated in the brains of individuals with Alzheimer's disase. This noncoding RNA increases expression of BACE, driving amyloid-β generation and possibly disease progression. Recent efforts have revealed that numerous protein-coding messenger RNAs have natural antisense transcript partners, most of which seem to be noncoding RNAs. Here we identify a conserved noncoding antisense transcript for β-secretase-1 (BACE1), a crucial enzyme in Alzheimer's disease pathophysiology. The BACE1-antisense transcript (BACE1-AS) regulates BACE1 mRNA and subsequently BACE1 protein expression in vitro and in vivo. Upon exposure to various cell stressors including amyloid-β 1–42 (Aβ 1–42), expression of BACE1-AS becomes elevated, increasing BACE1 mRNA stability and generating additional Aβ 1–42 through a post-transcriptional feed-forward mechanism. BACE1-AS concentrations were elevated in subjects with Alzheimer's disease and in amyloid precursor protein transgenic mice. These data show that BACE1 mRNA expression is under the control of a regulatory noncoding RNA that may drive Alzheimer's disease–associated pathophysiology. In summary, we report that a long noncoding RNA is directly implicated in the increased abundance of Aβ 1–42 in Alzheimer's disease.

Highlights•FMD rejuvenates the immune system and reduces cancer incidence in C57BL/6 mice•FMD promotes hippocampal neurogenesis and improves cognitive performance in mice•FMD causes beneficial changes in risk factors of age-related diseases in humansSummaryProlonged fasting (PF) promotes stress resistance, but its effects on longevity are poorly understood. We show that alternating PF and nutrient-rich medium extended yeast lifespan independently of established pro-longevity genes. In mice, 4 days of a diet that mimics fasting (FMD), developed to minimize the burden of PF, decreased the size of multiple organs/systems, an effect followed upon re-feeding by an elevated number of progenitor and stem cells and regeneration. Bi-monthly FMD cycles started at middle age extended longevity, lowered visceral fat, reduced cancer incidence and skin lesions, rejuvenated the immune system, and retarded bone mineral density loss. In old mice, FMD cycles promoted hippocampal neurogenesis, lowered IGF-1 levels and PKA activity, elevated NeuroD1, and improved cognitive performance. In a pilot clinical trial, three FMD cycles decreased risk factors/biomarkers for aging, diabetes, cardiovascular disease, and cancer without major adverse effects, providing support for the use of FMDs to promote healthspan.Graphical abstract

A periodic fasting diet improves markers of metabolic dysfunction, particularly in people already at risk.

The regenerative capacity of the CNS is extremely limited. The reason for this is unclear, but glial cell involvement has been suspected, and oligodendrocytes have been implicated as inhibitors of neuroregeneration (Chen et al., 2000, GrandPre et al., 2000; Fournier et al., 2001). The role of astrocytes in this process was proposed but remains incompletely understood (Silver and Miller, 2004). Astrocyte activation (reactive gliosis) accompanies neurotrauma, stroke, neurodegenerative diseases, or tumors. Two prominent hallmarks of reactive gliosis are hypertrophy of astrocytic processes and upregulation of intermediate filaments. Using the entorhinal cortex lesion model in mice, we found that reactive astrocytes devoid of the intermediate filament proteins glial fibrillary acidic protein and vimentin (GFAP-/-Vim-/-), and consequently lacking intermediate filaments (Colucci-Guyon et al., 1994; Pekny et al., 1995; Eliasson et al., 1999), showed only a limited hypertrophy of cell processes. Instead, many processes were shorter and not straight, albeit the volume of neuropil reached by a single astrocyte was the same as in wild-type mice. This was accompanied by remarkable synaptic regeneration in the hippocampus. On a molecular level, GFAP-/-Vim-/- reactive astrocytes could not upregulate endothelin B receptors, suggesting that the upregulation is intermediate filament dependent. These findings show a novel role for intermediate filaments in astrocytes and implicate reactive astrocytes as potent inhibitors of neuroregeneration.

Dietary interventions have not been effective in the treatment of multiple sclerosis (MS). Here, we show that periodic 3-day cycles of a fasting mimicking diet (FMD) are effective in ameliorating demyelination and symptoms in a murine experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model. The FMD reduced clinical severity in all mice and completely reversed symptoms in 20% of animals. These improvements were associated with increased corticosterone levels and regulatory T (Treg) cell numbers and reduced levels of pro-inflammatory cytokines, TH1 and TH17 cells, and antigen-presenting cells (APCs). Moreover, the FMD promoted oligodendrocyte precursor cell regeneration and remyelination in axons in both EAE and cuprizone MS models, supporting its effects on both suppression of autoimmunity and remyelination. We also report preliminary data suggesting that an FMD or a chronic ketogenic diet are safe, feasible, and potentially effective in the treatment of relapsing-remitting multiple sclerosis (RRMS) patients (NCT01538355).

Abstract Exposure to particulate matter (PM) in the ambient air and its interactions with APOE alleles may contribute to the acceleration of brain aging and the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD). Neurodegenerative effects of particulate air pollutants were examined in a US-wide cohort of older women from the Women’s Health Initiative Memory Study (WHIMS) and in experimental mouse models. Residing in places with fine PM exceeding EPA standards increased the risks for global cognitive decline and all-cause dementia respectively by 81 and 92%, with stronger adverse effects in APOE ɛ4/4 carriers. Female EFAD transgenic mice ( 5xFAD +/− /human APOE ɛ 3 or ɛ 4 +/+ ) with 225 h exposure to urban nanosized PM (nPM) over 15 weeks showed increased cerebral β-amyloid by thioflavin S for fibrillary amyloid and by immunocytochemistry for Aβ deposits, both exacerbated by APOE ɛ4. Moreover, nPM exposure increased Aβ oligomers, caused selective atrophy of hippocampal CA1 neurites, and decreased the glutamate GluR1 subunit. Wildtype C57BL/6 female mice also showed nPM-induced CA1 atrophy and GluR1 decrease. In vitro nPM exposure of neuroblastoma cells (N2a-APP/swe) increased the pro-amyloidogenic processing of the amyloid precursor protein (APP). We suggest that airborne PM exposure promotes pathological brain aging in older women, with potentially a greater impact in ɛ4 carriers. The underlying mechanisms may involve increased cerebral Aβ production and selective changes in hippocampal CA1 neurons and glutamate receptor subunits.

Although microRNAs are being extensively studied for their involvement in cancer and development, little is known about their roles in Alzheimer's disease (AD). In this study, we used microarrays for the first joint profiling and analysis of miRNAs and mRNAs expression in brain cortex from AD and age-matched control subjects. These data provided the unique opportunity to study the relationship between miRNA and mRNA expression in normal and AD brains. Using a non-parametric analysis, we showed that the levels of many miRNAs can be either positively or negatively correlated with those of their target mRNAs. Comparative analysis with independent cancer datasets showed that such miRNA-mRNA expression correlations are not static, but rather context-dependent. Subsequently, we identified a large set of miRNA-mRNA associations that are changed in AD versus control, highlighting AD-specific changes in the miRNA regulatory system. Our results demonstrate a robust relationship between the levels of miRNAs and those of their targets in the brain. This has implications in the study of the molecular pathology of AD, as well as miRNA biology in general.

Immune-based interventions are promising strategies to achieve long-term cancer-free survival. Fasting was previously shown to differentially sensitize tumors to chemotherapy while protecting normal cells, including hematopoietic stem and immune cells, from its toxic side effects. Here, we show that the combination of chemotherapy and a fasting-mimicking diet (FMD) increases the levels of bone marrow common lymphoid progenitor cells and cytotoxic CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TILs), leading to a major delay in breast cancer and melanoma progression. In breast tumors, this effect is partially mediated by the downregulation of the stress-responsive enzyme heme oxygenase-1 (HO-1). These data indicate that FMD cycles combined with chemotherapy can enhance T cell-dependent targeted killing of cancer cells both by stimulating the hematopoietic system and by enhancing CD8+-dependent tumor cytotoxicity.

The role of reactive iron in Alzheimer's Disease (AD) remains unresolved. Little is known of how AD may alter iron transport, glutathione-mediated oxidative repair, and their associations with ApoE alleles. Postmortem brain intravascular blood was minimized by washing minced brain (n=24/group). HNE from iron-associated lipid peroxidation increased in AD prefrontal cortex by 50% for whole tissue and in subcellular lipid rafts, where Aβ-peptides are produced. HNE correlated with iron storage ferritin light chain (FTL; r=0.35); both were higher in ApoE4. Iron chelation by DFO in EFAD mice decreased HNE consistent with ferroptosis. Neuronal and synaptic loss in AD was inversely correlated to FTL (r=-0.55). AD decreased levels of ferroptosis suppressor protein 1, glutamate cysteine ligase modulator subunit (GCLM), and lipid raft glutathione peroxidase 4 (GPx4), mitigators of ferroptosis. These findings provide a mechanistic framework for iron-associated neurodegeneration during AD by impaired lipid peroxidation repair mechanisms involving glutathione.