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

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.