Autophagy in Microglia and Alzheimer's disease

Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease, characterized by amyloid-beta plaques, neurofibrillary tangles and neuroinflammation. Autophagy has been associated with several neurodegenerative diseases. Recently, autophagy has been linked to the regulation of the inflammatory response in macrophages. My thesis investigates how an impairment of autophagy influences the inflammatory response of microglia. We used Beclin1 heterozygous (Becn1+/-) mice as a model of impaired autophagy. Beclin1 plays a role in the initiation of autophagy and was shown to be decreased in microglia isolated from AD patients compared to healthy controls. In vitro, acutely stimulated microglia from neonatal Becn1+/- mice exhibited increased expression of the proinflammatory cytokines IL-1beta and IL-18 compared to wild type microglia. Both IL-1beta and IL-18 are processed by the NLRP3 inflammasome pathway. The investigation of this pathway showed an elevated number of cells with inflammasomes and increased levels of the inflammasome components NLRP3 and cleaved Caspase1 in Becn1+/- microglia. Super resolution microscopy revealed a very close association of NLRP3 aggregates and LC3-positive autophagosomes. Interestingly, despite suggestions that the murine CALCOCO2 does not function as an autophagic adaptor, we discovered CALCOCO2 colocalised with NLRP3 and that its downregulation by siRNA knockdown increased IL-1beta release. These data support the notion that selective autophagy can impact microglia activation by modulating IL-1beta and IL-18 production via NLRP3 degradation. These in vitro data present a mechanism how impaired autophagy could contribute to neuroinflammation in AD. In vivo analysis of Becn1+/-.APPPS1 mice also demonstrated enhanced IL-1beta levels, but no differences in amyloid beta pathology, nor phagocytic capacity. The constitutive heterozygosity of Beclin1 might be responsible for the milder effects in vivo. Therefore, we performed studies utilizing more sophisticated models targeting immune cells specifically. The first model, Aldh1l1-iCre.Becn1-flox, targets Becn1 deletion specifically in astrocytes in the central nervous system after injection with the drug tamoxifen. Peripherally, Aldh1l1 is also expressed by hepatocytes. The Aldh1l1-iCre.Becn1-flox mice suffered from peripheral damage in the liver 10 days after tamoxifen injection, and can therefore not be used in further studies. The second model, Cx3Cr1-iCre.Becn1-flox, targets Becn1 deletion specifically in microglia in the central nervous system, and will be crossed to the APPPS1 mice to create a tool to study the role of Beclin1 in microglia in neuroinflammation and neurodegeneration. This new tool and the data generated in this work will support a new direction of research, to unravel the therapeutic potential of autophagy-dependent inflammation in neurodegenerative diseases.Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung, die durch Amyloid-Beta-Plaques, neurofibrilläre Verwicklungen und Neuroinflammation gekennzeichnet ist. Autophagie wurde mit mehreren neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Vor Kurzem wurde Autophagie mit der Regulierung der Entzündungsreaktion in Makrophagen in Verbindung gebracht. Meine Dissertation untersucht, wie eine Beeinträchtigung der Autophagie die Entzündungsreaktion von Mikroglia beeinflusst. Wir haben Beclin1-heterozygote (Becn1+/-) Mäuse als Modell für eingeschränkte Autophagie verwendet. Beclin1 spielt eine Rolle bei der Initiierung der Autophagie und es wurde gezeigt, dass es bei aus AD-Patienten isolierten Mikrogliazellen im Vergleich zu gesunden Kontrollen abnimmt. Akut stimulierte Mikroglia aus neonatalen Becn1+/– Mäusen zeigten in vitro eine erhöhte Expression der proinflammatorischen Zytokine IL-1beta und IL-18 im Vergleich zu Wildtyp-Mikroglia. Sowohl IL-1beta als auch IL-18 werden vom NLRP3-Inflammasom-Weg verarbeitet. Die Untersuchung dieses Weges zeigte eine erhöhte Anzahl von Zellen mit Inflammasomen und erhöhte Spiegel der Inflammasomenkomponenten NLRP3 und gespaltenen Caspase1 in Becn1+/– Mikroglia. Super-Resolution-Mikroskopie zeigte eine sehr enge Lokalisation von NLRP3-Aggregaten und LC3-positiven Autophagosomen. Interessanterweise haben wir trotz der Kritik, dass das murine CALCOCO2 nicht als autophagischer Adapter fungiert, entdeckt, dass CALCOCO2 mit NLRP3 kolokalisiert und dass die Herunterregulierung durch siRNA die IL-1beta-Freisetzung erhöhte. Diese Daten stützen die Ansicht, dass selektive Autophagie die Mikroglia-Aktivierung beeinflussen kann, indem die IL-1beta- und IL-18-Produktion durch NLRP3-Abbau moduliert wird. Diese in vitro Daten stellen einen Mechanismus dar, wie eine gestörte Autophagie zur Neuroinflammation bei AD beitragen kann. In vivo Analysen von Becn1+/–.APPPS1 Mäusen zeigten ebenfalls erhöhte IL-1beta-Spiegel, jedoch keine Unterschiede in der Amyloid-Beta-Pathologie und auch keine in Bezug auf die Phagozytosekapazität. Die konstitutive Heterozygotie von Beclin1 könnte für die geringen Auswirkungen in vivo verantwortlich sein. Daher etablierten zwei neue Modelle, die speziell auf Immunzellen abzielten. Das erste Modell, Aldh1l1-iCre.Becn1-Flox, zielt auf die Becn1-Deletion spezifisch in Astrozyten im zentralen Nervensystem nach Injektion des Arzneimittels Tamoxifen ab. In der Peripherie wird Aldh1l1 auch von Hepatozyten exprimiert. Die Aldh1l1-iCre.Becn1-Flox Mäuse erlitten 10 Tage nach Tamoxifen-Injektion eine periphere Schädigung der Leber und können daher nicht in weiteren Studien verwendet werden. Das zweite Modell, Cx3Cr1-iCre.Becn1-flox, zielt auf die Becn1-Deletion speziell in Mikroglia im Zentralnervensystem ab und wird mit den APPPS1-Mäusen gekreuzt, um ein Modell für die Untersuchung der Rolle von Beclin1 in Mikroglia bei Neuroinflammation und Neurodegeneration darzustellen. Dieses neue Mausmodell und die in dieser Arbeit generierten Daten werden eine neue Richtung der Forschung unterstützen, um das therapeutische Potenzial autophagieabhängiger Entzündungen bei neurodegenerativen Erkrankungen zu ermitteln

A Nuclear Belt Fastens on Neural Cell Fate

Successful embryonic and adult neurogenesis require proliferating neural stem and progenitor cells that are intrinsically and extrinsically guided into a neuronal fate. In turn, migration of new-born neurons underlies the complex cytoarchitecture of the brain. Proliferation and migration are therefore essential for brain development, homeostasis and function in adulthood. Among several tightly regulated processes involved in brain formation and function, recent evidence points to the nuclear envelope (NE) and NE-associated components as critical new contributors. Classically, the NE was thought to merely represent a barrier mediating selective exchange between the cytoplasm and nucleoplasm. However, research over the past two decades has highlighted more sophisticated and diverse roles for NE components in progenitor fate choice and migration of their progeny by tuning gene expression via interactions with chromatin, transcription factors and epigenetic factors. Defects in NE components lead to neurodevelopmental impairments, whereas age-related changes in NE components are proposed to influence neurodegenerative diseases. Thus, understanding the roles of NE components in brain development, maintenance and aging is likely to reveal new pathophysiological mechanisms for intervention. Here, we review recent findings for the previously underrepresented contribution of the NE in neuronal commitment and migration, and envision future avenues for investigation

Lamin B1 decline underlies age-related loss of adult hippocampal neurogenesis

Neurogenesis in the adult hippocampus declines with age, a process that has been implicated in cognitive and emotional impairments. However, the mechanisms underlying this decline have remained elusive. Here, we show that the age-dependent downregulation of lamin B1, one of the nuclear lamins in adult neural stem/progenitor cells (ANSPCs), underlies age-related alterations in adult hippocampal neurogenesis. Our results indicate that higher levels of lamin B1 in ANSPCs safeguard against premature differentiation and regulate the maintenance of ANSPCs. However, the level of lamin B1 in ANSPCs declines during aging. Precocious loss of lamin B1 in ANSPCs transiently promotes neurogenesis but eventually depletes it. Furthermore, the reduction of lamin B1 in ANSPCs recapitulates age-related anxiety-like behavior in mice. Our results indicate that the decline in lamin B1 underlies stem cell aging and impacts the homeostasis of adult neurogenesis and mood regulation.Peer reviewe