Neuronal Integrity Impairment, Hippocampal Atrophy  and  Inflammation  are aggravated in 5XFAD/PS19 Mice

5XFAD/PS19 mice showed hippocampal shrinkage, significantly aggravated diminishment of  synapto‐dendritic connections (Fig. 3.45), as well as drastically elevated astrocytosis (Fig. 

3.46) compared to PS19 and 5XFAD parental lines, suggesting a clear impairment of neuronal  integrity associated with increased tau pathology. Immunostaining using β3‐tubulin antibody  revealed a drastic decrease of apical dendrites in the stratum radiatum of the hippocampus  in 9‐month‐old 5XFAD/PS19 animals, whereas PS19 and 5XFAD littermates seemed to be not  affected (Fig. 3.45). Under physiological conditions, tau is intraneuronally distributed with a  spatial  gradient,  meaning  higher  concentrations  in  axons  than  in  somato‐dendritic  compartments  (Buée  et  al.  2000).  However,  it  has  been  demonstrated  that  tau  gets 

      Discussion 

aberrantly mislocalized to dendritic spines by hyperphosphorylation, resulting in a decreased  expression of AMPA‐ and NMDA‐receptors and an impaired synaptic transmission (Hoover et  al. 2010). In addition, intracerebral injection of adeno‐associated viral (AAV) mutant tauP301L  in transgenic mice expressing the yellow fluorescent protein, led to a drastic degradation of  apical  dendrites  of  hippocampal  CA1  neurons  accompanied  by  accumulated,  enlarged  autophagic vacuoles and activated astrocytes (Jaworski et al. 2011). The appearance of  hyperphosphorylated  tau in apical dendrites  in  the hippocampus  of 5XFAD/PS19 mice  already at 3 months of age indicates that tau gets also mislocalized in somato‐dendritic  compartments in this mouse model. Furthermore, missorted tau might induce dendritic  diminishment, since the affected tau‐immunostained processes disappeared in aged animals  (Fig. 3.44f, h), corresponding to a reduced amount of  β3‐tubulin‐stained dendrites (Fig. 

3.45f) and hippocampal atrophy. However, it has been reported that PS19 mice harbor  reduced levels of endoplasmatic reticulum‐specific proteins in dendrites already at 3 months  of age, as well as hippocampal shrinkage of approximately 25 % and 45 % at 9 and 12  months of age, respectively, compared to non‐transgenic controls (Yoshiyama et al. 2007). 

Therefore, it cannot be excluded that PS19 transgenic mice also develop distorted apical  dendrites  in  the  hippocampal  stratum  radiatum  in  later  ages,  since  tau  pathology  in  5XFAD/PS19 animals started earlier as well. Furthermore, immunostaining using synaptic  markers  like  synapsin‐1  further  confirms  tau’s  toxic  function  in  damaging  neuronal  arborizations. Aged trigenic 5XFAD/PS19 mice harbored drastically reduced synapses in the  hippocampal CA3 mossy fiber pathway compared to aged‐matched 5XFAD and PS19 mice,  whereas the latter also had significantly less synapses than 5XFAD littermates (Fig. 3.45). 

That  the  PS19  mouse  model  develops  degenerated  mossy  fibers  has  been  already  demonstrated in a previous study, showing reduced neurofilament‐staining in the same  region (Yoshiyama et al. 2007). The aggravated synaptic loss in the mossy fiber pathway in  combination with  drastically  decreased  apical  dendrites  in  hippocampi  of  5XFAD/PS19  suggests that the presence of human mutant APP and PS1, leading to high levels of Aβ,  accelerates the degeneration of neuronal processes, which is putatively induced by early tau  conformational changes.  

5XFAD mice harbor chronic inflammation represented as micro‐ and astrogliosis that  increases proportionally with Aβ42 levels (Oakley et al. 2006). Interestingly, in vitro data  suggest that astrocytes are crucial for Aβ‐mediated toxicity and hyperphosphorylation of tau 

      Discussion 

in neurons (Garwood et al. 2011). Furthermore, the application of conditioned medium from  astrocytes, incubated with soluble Aβ peptides, induced tau phosphorylation and neuronal  death of cultured hippocampal neurons (Saez et al. 2006). In the present work, 5XFAD mice  also showed an increased inflammatory response in the cortex and thalamus compared to  PS19 mice. However, the amounts of activated astrocytes were significantly elevated in  5XFAD/PS19 animals compared to the other genotypes (Fig. 3.46). This indicates that Aβ  induced hyperphosphorylation of tau triggers astrocytosis and vice versa resulting in a  subsequent aggravation of the phenotype.  

Moreover, quantification of hippocampal CA1 neurons revealed a significant loss  coinciding with overall hippocampal atrophy in 5XFAD/PS19 mice compared to PS19 and  5XFAD littermates at 9 months of age, with single transgenic PS19 animals showing a  tendency towards reduced CA1 neuron number (Fig. 3.45). This finding is in good agreement  with the demonstrated hippocampal atrophy in PS19 mice, described in a previous study  (Yoshiyama et al. 2007). Notably, the 5XFAD model harbors neuron loss in the fifth cortical  layer at 12 months of age, however, CA1 neurons, in which no intracellular Aβ is detectable,  are not affected (Jawhar et al. 2012). These data suggest that the co‐expression of Aβ and  tau aggravates the hippocampal atrophy as well as CA1 neuron loss in 5XFAD/PS19 mice,  probably  by  Aβ‐triggered  tau  hyperphosphorylation  and  toxicity. Similar  findings  were  observed in previous studies dealing with transgenic mice over‐expressing human mutant  APP. Injection of AVV‐coupled mutant tau into the entorhinal cortex of TASTPM mice,  expressing human mutant APPSw and PS1M146V, induced hyperphosphorylated tau pathology  combined  with  neuritic  dystrophy,  neuron  loss  in  the  hippocampal  CA1  region  and  entorhinal cortex, as well as increased inflammatory response, whereas no changes in Aβ  pathology were observed (Dassie et al. 2013). Furthermore, a study using the same PS19  mouse model revealed that crossing these mice with the PDAPP mice, carrying human  mutant APPV717F, resulted in the formation of NFT‐like structures and increased premature  death rate, without any significant changes in amyloid pathology (Hurtado et al. 2010). Here,  Hurtado and colleagues demonstrated that PS19‐PDAPP mice also develop neuron loss  compared to PDAPP animals, but they did not consider the neuronal reduction in PS19  animals alone, which has been previously shown by Yoshiyama and colleagues (Yoshiyama et  al. 2007).  

      Discussion 

4.2.6.3 Aβ‐induced  ApoE  Proteolysis  is  a  Possible  Upstream  Event  of  Tau