A hallmark of the inflammatory response to pathogen exposure is the production of tumor necrosis factor (TNF) that coordinates innate and adaptive immune responses by functioning in an autocrine or paracrine manner. Numerous molecular mechanisms contributing to TNF production have been identified, but how they function together in macrophages remains unclear. Here, we pursued an iterative systems biology approach to develop a quantitative understanding of the regulatory modules that control TNF mRNA synthesis and processing, mRNA half-life and translation, and protein processing and secretion. By linking the resulting model of TNF production to models of the TLR-, the TNFR-, and the NFκB signaling modules, we were able to study TNF's functions during the inflammatory response to diverse TLR agonists. Contrary to expectation, we predicted and then experimentally confirmed that in response to lipopolysaccaride, TNF does not have an autocrine function in amplifying the NFκB response, although it plays a potent paracrine role in neighboring cells. However, in response to CpG DNA, autocrine TNF extends the duration of NFκB activity and shapes CpG-induced gene expression programs. Our systems biology approach revealed that network dynamics of MyD88 and TRIF signaling and of cytokine production and response govern the stimulus-specific autocrine and paracrine functions of TNF.

Neurons in familial Alzheimer’s disease undergo dedifferentiation, resulting in loss of lineage state and degeneration.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) manifested before age 65 is commonly referred to as early-onset AD (EOAD) (Reitz et al. Neurol Genet. 2020;6:e512). While the majority (> 90%) of EOAD cases are not caused by autosomal-dominant mutations in PSEN1 , PSEN2 , and APP , they do have a higher heritability (92–100%) than sporadic late-onset AD (LOAD, 70%) (Wingo et al. Arch Neurol. 2012;69:59–64, Fulton-Howard et al. Neurobiol Aging. 2021;99:101.e1–101.e9). Although the endpoint clinicopathological changes, i.e., Aβ plaques, tau tangles, and cognitive decline, are common across EOAD and LOAD, the disease progression is highly heterogeneous (Neff et al. Sci Adv Am Assoc Adv Sci. 2021;7:eabb5398). This heterogeneity, leading to temporally distinct age at onset (AAO) and stages of cognitive decline, may be caused by myriad combinations of distinct disease-associated molecular mechanisms. We and others have used transcriptome profiling in AD patient-derived neuron models of autosomal-dominant EOAD and sporadic LOAD to identify disease endotypes (Caldwell et al. Sci Adv Am Assoc Adv Sci. 2020;6:eaba5933, Mertens et al. Cell Stem Cell. 2021;28:1533–1548.e6, Caldwell et al. Alzheimers Demen. 2022). Further, analyses of large postmortem brain cohorts demonstrate that only one-third of AD patients show hallmark disease endotypes like increased inflammation and decreased synaptic signaling (Neff et al. Sci Adv Am Assoc Adv Sci. 2021;7:eabb5398). Areas of the brain less affected by AD pathology at early disease stages — such as the primary visual cortex — exhibit similar transcriptomic dysregulation as those regions traditionally affected and, therefore, may offer a view into the molecular mechanisms of AD without the associated inflammatory changes and gliosis induced by pathology (Haroutunian et al. Neurobiol Aging. 2009;30:561–73). To this end, we analyzed AD patient samples from the primary visual cortex (19 EOAD, 20 LOAD) using transcriptomic signatures to identify patient clusters and disease endotypes. Interestingly, although the clusters showed distinct combinations and severity of endotypes, each patient cluster contained both EOAD and LOAD cases, suggesting that AAO may not directly correlate with the identity and severity of AD endotypes.

Abstract While amyloid‐β (Aβ) plaques are considered a hallmark of Alzheimer's disease, clinical trials focused on targeting gamma secretase, an enzyme involved in aberrant Aβ peptide production, have not led to amelioration of AD symptoms or synaptic dysregulation. Screening strategies based on mechanistic, multi‐omics approaches that go beyond pathological readouts can aid in the evaluation of therapeutics. Using early‐onset Alzheimer's (EOFAD) disease patient lineage PSEN1 A246E iPSC‐derived neurons, we performed RNA‐seq to characterize AD‐associated endotypes, which are in turn used as a screening evaluation metric for two gamma secretase drugs, the inhibitor Semagacestat and the modulator BPN‐15606. We demonstrate that drug treatment partially restores the neuronal state while concomitantly inhibiting cell cycle re‐entry and dedifferentiation endotypes to different degrees depending on the mechanism of gamma secretase engagement. Our endotype‐centric screening approach offers a new paradigm by which candidate AD therapeutics can be evaluated for their overall ability to reverse disease endotypes.

Abstract At high altitude Andean region, hypoxia-induced excessive erythrocytosis (EE) is the defining feature of Monge’s disease or chronic mountain sickness (CMS). At the same altitude, resides a population that has developed adaptive mechanism(s) to constrain this hypoxic response (non-CMS). In this study, we utilized an in vitro induced pluripotent stem cell model system to study both populations using genomic and molecular approaches. Our whole genome analysis of the two groups identified differential SNPs between the CMS and non-CMS subjects in the ARID1B region. Under hypoxia, the expression levels of ARID1B significantly increased in the non-CMS cells but decreased in the CMS cells. At the molecular level, ARID1B knockdown (KD) in non-CMS cells increased the levels of the transcriptional regulator GATA1 by 3-fold and RBC levels by 100-fold under hypoxia. ARID1B KD in non-CMS cells led to increased proliferation and EPO sensitivity by lowering p53 levels and decreasing apoptosis through GATA1 mediation. Interestingly, under hypoxia ARID1B showed an epigenetic role, altering the chromatin states of erythroid genes. Indeed, combined Real-time PCR and ATAC-Seq results showed that ARID1B modulates the expression of GATA1 and p53 and chromatin accessibility at GATA1 / p53 target genes. We conclude that ARID1B is a novel erythroid regulator under hypoxia that controls various aspects of erythropoiesis in high-altitude dwellers.

Background: While Alzheimer’s disease (AD) pathology is associated with altered brain structure, it is not clear whether gene expression changes mirror the onset and evolution of pathology in distinct brain regions. Deciphering the mechanisms which cause the differential manifestation of the disease across different regions has the potential to help early diagnosis. Objective: We aimed to identify common and unique endotypes and their regulation in tangle-free neurons in sporadic AD (SAD) across six brain regions: entorhinal cortex (EC), hippocampus (HC), medial temporal gyrus (MTG), posterior cingulate (PC), superior frontal gyrus (SFG), and visual cortex (VCX). Methods: To decipher the states of tangle-free neurons across different brain regions in human subjects afflicted with AD, we performed analysis of the neural transcriptome. We explored changes in differential gene expression, functional and transcription factor target enrichment, and co-expression gene module detection analysis to discern disease-state transcriptomic variances and characterize endotypes. Additionally, we compared our results to tangled AD neuron microarray-based study and the Allen Brain Atlas. Results: We identified impaired neuron function in EC, MTG, PC, and VCX resulting from REST activation and reversal of mature neurons to a precursor-like state in EC, MTG, and SFG linked to SOX2 activation. Additionally, decreased neuron function and increased dedifferentiation were linked to the activation of SUZ12. Energetic deficit connected to NRF1 inactivation was found in HC, PC, and VCX. Conclusions: Our findings suggest that SAD manifestation varies in scale and severity in different brain regions. We identify endotypes, such as energetic shortfalls, impaired neuronal function, and dedifferentiation.

Abstract Early-Onset Familial Alzheimer’s Disease (EOFAD) is a dominantly inherited neurodegenerative disorder elicited by mutations in the PSEN1 , PSEN2 , and APP genes 1 . Hallmark pathological changes and symptoms observed, namely the accumulation of misfolded Amyloid-β (Aβ) in plaques and Tau aggregates in neurofibrillary tangles associated with memory loss and cognitive decline, are understood to be temporally accelerated manifestations of the more common sporadic Late-Onset Alzheimer’s Disease. The complete penetrance of EOFAD-causing mutations has allowed for experimental models which have proven integral to the overall understanding of AD 2 . However, the failure of pathology-targeting therapeutic development suggests that the formation of plaques and tangles may be symptomatic and not describe the etiology of the disease 3,4 . Here, we use an integrative, multi-omics approach and systems-level analysis in hiPSC-derived neurons to generate a mechanistic disease model for EOFAD. Using patient-specific cells from donors harboring mutations in PSEN1 differentiated into neurons, we characterize the disease-related gene expression and chromatin accessibility changes by RNA- Seq, ATAC-Seq, and histone methylation ChIP-Seq. We show that the defining disease-causing mechanism of EOFAD is dedifferentiation, primarily through the REST-mediated repression of neuronal lineage specification gene programs and the activation of non-specific germ layer precursor gene programs concomitant with modifications in chromatin accessibility. These gene signature profiles and changes in chromatin topology illustrate that EOFAD neurons traverse the chromatin landscape from an ectodermal origin to a mixed germ lineage state. Further, a reanalysis of existing transcriptomic data from PSEN1 patient brain samples demonstrates that the mechanisms identified in our experimental system recapitulate EOFAD in the human brain. Our results comprise a disease model which describes the mechanisms culminating in dedifferentiation that precede amyloid and tau pathology formation and engender neurodegeneration.