background image

Mark4 ablation attenuates pathological phenotypes in

a mouse model of tauopathy

Grigorii Sultanakhmetov, Sophia Jobien M Limlingan, Aoi Fukuchi, Keisuke

Tsuda, Hirokazu Suzuki, Iori Kato, Taro Saito, Adam Z Weitemier, Kanae Ando

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

1

 of 

34

Mark4

 ablation attenuates pathological phenotypes in a mouse model of tauopathy

Grigorii  Sultanakhmetov

1

,  Sophia  Jobien  M.  Limlingan

1

,  Aoi  Fukuchi

1

,  Keisuke  Tsuda

1

Hirokazu Suzuki

1

, Iori Kato

1

, Taro Saito

1,2

, Adam Z. Weitemier

1,2

, and Kanae Ando

1,2,*

1

Department  of  Biological  Sciences,  Graduate  School  of  Science,  Tokyo  Metropolitan 

University, Tokyo 192-0397, Japan

2

Department of Biological Sciences, School of Science, Tokyo Metropolitan University, Tokyo 

192-0397, Japan

*

Corresponding author: 

Kanae Ando

1-1 Minamiosawa, Hachioji, Tokyo, Japan 192-0397

k_ando@tmu.ac.jp

Short title: 

Mark4

 ablation mitigates tauopathy

Page 1 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

© The Author(s) 2024. Published by Oxford University Press on behalf of the Guarantors of Brain. This is an  

Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License  

(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted reuse, distribution, and reproduction in 

 any medium, provided the original work is properly cited.

ACCEPTED MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

2

 of 

34

Abstract

Accumulation  of  abnormally  phosphorylated  tau  proteins  is  linked  to  various 

neurodegenerative  diseases,  including  Alzheimer’s  disease  and  frontotemporal  dementia. 

Microtubule  affinity-regulating  kinase  4  (MARK4)  has  been  genetically  and  pathologically 

associated with Alzheimer’s disease and reported to enhance tau phosphorylation and toxicity 

in 

Drosophila

  and  mouse  traumatic  brain-injury  models  but  not  in  mammalian  tauopathy 

models. To investigate the role of MARK4 in tau-mediated neuropathology, we crossed P301S 

tauopathy model (PS19) and Mark4 knockout mice. We performed behavior, biochemical, and 

histology  analyses  to  evaluate  changes  in  PS19  pathological  phenotype  with  and  without 

Mark4. Here, we demonstrated that 

Mark4

 deletion ameliorated the tau pathology in a mouse 

model of tauopathy. In particular, we found that PS19 with 

Mark4

 knockout showed improved 

mortality and memory compared with those bearing an intact 

Mark4

 gene. These phenotypes 

were accompanied by reduced neurodegeneration and astrogliosis in response to the reduction 

of pathological forms of tau, such as those phosphorylated at Ser356, AT8-positive tau, and 

thioflavin S-positive tau. Our data indicate that MARK4 critically contributes to tau-mediated 

neuropathology,  suggesting  that  MARK4  inhibition  may  serve  as  a  therapeutic  avenue  for 

tauopathies. 

Keywords

Mark4

, Alzheimer’s disease, tauopathy, neurodegeneration, astrogliosis

Introduction

Page 2 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

3

 of 

34

The  abnormally  phosphorylated  form  of  the  microtubule-associated  protein  tau  has  been 

identified as a major component of paired helical filaments (PHFs) in neurofibrillary tangles 

(NFTs) and plaque neurites in the brains of patients with Alzheimer’s disease (AD).

1–3

 NFT 

depositions have been associated with cognitive decline and pathology severity in AD,

4,5

 which 

are the most prevalent causes of aging-associated dementia

6

. Under physiological conditions, 

tau regulates microtubule stability in the axon, whereas in disease, it is hyperphosphorylated 

and aggregates.

7

Among its many phosphorylation sites, those located in the tau microtubule-binding 

repeats, such as Ser262 and Ser356, regulate its physiological and pathological functions.

8

 High 

Ser262 phosphorylation has been observed from early-stage AD disease in pre-NFT neurons

9

 

and  correlates  with  the  propagation  of  tau  pathology.

10

  Tau  phosphorylation  at  Ser262  and 

Ser356 was previously shown to promote phosphorylation at other AD-associated phospho-

epitopes such as AT100 (phosphorylation at Thr212 and Ser214) and AT8 (phosphorylation at 

Ser202 and Thr205).

11

 Tau phosphorylation at Ser262 and Ser356 affects its interactions with 

chaperone complexes and degradation,

12,13

 intracellular distribution,

14

 and liquid-liquid phase 

separation.

15

 Substitution of these sites by non-phosphorylatable alanines dramatically reduces 

tau toxicity in 

Drosophila

 models,

11,16,17

 suggesting that phosphorylation at these sites is critical 

for tau toxicity.

MARK4 belongs to the Par-1/microtubule affinity-regulating kinase (MARK) family, 

which  constitutes  evolutionarily  conserved  Ser/Thr  kinases  that  phosphorylate  microtubule-

associated proteins, including tau, to regulate microtubule-dependent transport and stability.

18–

21

  Previous  studies  reported  that  MARK3  and  MARK4  are  sequestered  to  granulovacuolar 

degeneration  bodies  along  with  tau  phosphorylated  at  Ser262  in  patients  with  AD,

22

  and 

elevation of the MARK4-tau interaction correlates with Braak stages.

23

 Moreover, genomic 

studies showed that a 

Mark4

 de novo genetic variant was linked to early-onset AD,

24

 and AD-

Page 3 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

4

 of 

34

linked single-nucleotide polymorphisms were identified within the 

Mark4

 gene by a Bayesian 

genome-wide association study.

25

 In 

Drosophila

, Par-1 overexpression enhances human tau 

toxicity, whereas Par-1 suppression mitigates it.

11,26

 Previously, we showed that expression of 

human 

MARK4

 also enhances tau toxicity in a 

Drosophila

 model, 

27,28

 suggesting mediation of 

tau  abnormality  by  MARK4.  Other  studies  have  uncovered  additional 

Mark4

  functions  in 

mouse models of obesity

29

 and ischemic brain injury.

30

 Nevertheless, the role of MARK4 in a 

mammalian tauopathy model has not been investigated.

Here, we examined MARK4 involvement in the disease pathogenesis of a tauopathy 

mouse model (PS19). By combining PS19 with a 

Mark4

 knockout genetic background, we 

demonstrated that 

Mark4

 deficiency significantly improved the lifespan and memory of the 

PS19 model. We found that although 

Mark4

 knockout did not affect tau phosphorylation at 

Ser262,  it  decreased  Ser356  phosphorylation  and  reduced  the  abundance  of  AT8  phospho-

epitopes  and  thioflavin  S-positive  aggregates.  Interestingly, 

Mark4

  deletion  mitigated 

astrogliosis in the brains of both PS19 and aged non-transgenic mice. Our results demonstrate 

that lowering MARK4 levels is sufficient to ameliorate the tauopathy phenotype in a mouse 

model, suggesting its critical involvement in neurodegenerative pathology.

Materials and methods

The study was approved by the Research Ethics Committee of Tokyo Metropolitan University 

(approval  numbers:  A5-5,  A5-6,  A4-6,  A4-23,  and  A3-11).

 

All  animal  experiments  were 

performed according to the Tokyo Metropolitan University animal experimentation guidelines 

and Science Council of Japan guidelines.

Animals

Mark4

  knockout-mouse  cryo-preserved  spermatozoa  (strain  name:  C57BL/6NCrl-

 

Mark4

em1(IMPC)

Mbp/Mmucd, RRID: MMRRC_043405-UCD) were purchased from the Mutant 

Page 4 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

5

 of 

34

Mouse Resource and Research Center at the University of California at Davis. In this strain, 

exons  3,  4,  and  the  flanking  splicing  regions  of  the 

Mark4

  gene  have  been  deleted  using 

CRISPR/Cas9 gene editing. Litters were recovered by RIKEN BioResource Research Center 

(Tsukuba,  Ibaraki,  Japan).  Mice  expressing  the  human  1N4R  tau  protein  bearing  the 

frontotemporal  dementia-associated  P301S  mutation  (PS19;  strain  name:  B6;C3-Tg  (Prnp-

MAPT*P301S)  PS19Vle/J,  RRID:  IMSR_JAX:100010)  under  the  prion  promoter  were 

purchased  from  Jackson  Laboratories  (Bar  Harbor,  Maine,  the  United  States).  We  used 

heterozygous PS19 male mice in this study.

All mice were bred in the Tokyo Metropolitan University animal facility in a special pathogen-

free area with a 12:12 h light/dark cycle and free access to food (Picolab mouse diet 20, 5058) 

and water. 

Mark4

 knockout and PS19 mice were crossed to obtain littermates 

Mark4

+/+

 

(wild 

type [WT]), 

Mark4

+/-

Mark4

-/-

, PS19, PS19:

Mark4

+/-

, and PS19:

Mark4

+/-

. The first generation 

was  obtained  by  crossing  PS19  with 

Mark4

+/-

,

  and  the  second  was  obtained  by  crossing 

PS19:

Mark4

+/-

 with 

Mark4

+/-

. We used first-generation littermates for the survival assay and 

second-generation  littermates  for  the  behavioral,  histological,  and  biochemical  assays 

(breeding scheme: Figure 1A). Genotypes were confirmed by PCR of tail DNA according to 

the manufacturer’s genotyping protocols using the primers listed in Table 1. Ataxia, or reaching 

the age of 12 months, was considered an endpoint in survival experiments. Mice that developed 

ataxia  were  not  used  in  any  experiments.  For  histological  experiments,  mice  were  deeply 

anesthetized with a double dose of 0.3 mg/kg medetomidine, 4.0 mg/kg midazolam, and 5.0 

mg/kg butorphanol tartare.

31

 

Behavioral tests

PS19 mice are known to manifest cognitive impairments at the age of 6 months.

32

 Mice of 

different genotypes were randomly assessed on different experimental days. Experiments were 

performed during the light cycle in a space with dim illumination by experimenters blinded to 

Page 5 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

6

 of 

34

mice genotypes on the experimental day and during analysis for all the behavioral assays. For 

behavioral assays, mice were habituated to the experimental space at least 30 min before assay 

initiation. 

Open field assay

Mice were allowed to explore a novel white acrylic 40×40×40 cm box for 10 min. The activity 

was recorded on a 720p web camera. Tracking software (ToxTrack) was used to evaluate the 

travel distance and time spent in a 20x20 cm middle area of the arena. The box was wiped with 

70%  EtOH  prior  to  usage  by  each  individual  mouse.  We  excluded  mice  from  experiments 

(approximately 1–3 per genotype) that showed abnormal behavior such as intensive jumping, 

tail rattling, and/or sitting at a corner for more than half of the experimental time. The open 

field test was considered a habituation phase for the novel object recognition assay, which was 

performed the next day. 

Novel object recognition assay

Experiments were performed according to a previously published protocol.

33

 Briefly, the day 

after the open field assay, mice were placed in the arena containing two identical objects. They 

were allowed to explore either or both objects for a total of 20 seconds within a maximum 10-

minute session.  Twenty-four hours later, mice were placed in the arena containing one familiar 

and one novel object and again allowed to explore for 20 seconds within a 10-minute session. 

Mice were considered to explore objects when their nose was headed to the object’s direction 

at a 2-cm distance. Then, the time spent exploring each object was analyzed. The discrimination 

index (DI) was calculated using the following equation:

,

𝐷𝐼

=

𝑇

𝑛𝑜𝑣𝑒𝑙

― 𝑇

𝑜𝑙𝑑

𝑇

𝑛𝑜𝑣𝑒𝑙

+

𝑇

𝑜𝑙𝑑

where T

novel

 and T

old 

are the times spent observing novel and old objects, respectively. Mice 

that did not show any interest in objects, i.e., they explored all objects for less than 20 seconds 

within a 10-minute session, were excluded from the experimental analysis.

Page 6 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

7

 of 

34

Y-maze assay

We  observed  mouse  behavior  in  the  Y-maze  to  evaluate  spatial  working  memory  in  our 

transgenic mice, as previously described.

32

 Briefly, we placed a mouse into the center of the 

Y-maze and allowed it to observe the maze for 10 min. The video was recorded for every mouse 

to analyze their behavior. The Y-maze has 35 cm arms with 10 cm height and 5 cm width. A 

successful alternation between arms is recorded when mice do not return to previously explored 

arms, and the percentage of successful alternation (%SA) was calculated using the following 

equation:

,

%𝑆𝐴

=

𝐴

𝑠𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑖𝑣𝑒

𝐴

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

2

where  A

successive

  and  A

total

  represent  the  amounts  of  successive  and  total  alternations, 

respectively. We subtracted the first two alternations because they could not be successful or 

wrong. Mice that climbed onto walls or jumped out from the maze were excluded from the 

analysis.

Histology

Mice  were  deeply  anesthetized  with  a  double  dose  of  0.3  mg/kg  medetomidine,  4.0  mg/kg 

midazolam,  and  5.0  mg/kg  butorphanol  tartare.

31

  Then,  mice  were  perfused  with  ice-cold 

phosphate-buffered saline (PBS) following 4% paraformaldehyde (PFA)/PBS. Mouse brains 

were extracted and fixed in 4% PFA/PBS solution for 24 h. Next, brains were immersed in 

30% sucrose in PBS until the brain sunk to the bottom of the 15-mL  tube. Brains were sliced 

in 

40-μm

 sections using a Leica cryostat CM 1510 S (Wetzlar, Germany). The sections were 

immersed in cryoprotectant solution (30% ethylene glycol and 20% glycerol in PBS) and kept 

at -20°C until further use. Mouse brain slices were observed using a Keyence BZ-X710 (Osaka, 

Japan)  epifluorescence  microscope  and  a  Nikon  AX/AX  R  confocal  microscope  (Tokyo, 

Japan).

Immunofluorescence

Page 7 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

8

 of 

34

We  performed  standard  free-floating  mouse  brain  section  staining  to  examine  the  effect  of 

Mark4

 ablation on P301S tau levels, gliosis, and neurodegeneration in PS19 mice.

34

 Briefly, 

mouse brain sections were washed in PBS, followed by permeabilization with 0.1% Triton X-

100. Samples were blocked in 5%  normal  goat  or donkey serum, depending on the host  in 

which the secondary antibodies used were raised, for 1 h at room temperature. Then, sections 

were incubated with primary antibodies overnight at 4°C, followed by incubation for 2 h with 

secondary antibodies at room temperature and counterstaining with DAPI. Samples were stored 

in the dark at 4°C prior to being imaged.. The primary and secondary antibodies used are listed 

in Table 2.

Thioflavin S staining

Thioflavin S staining was performed to analyze tau tangles in the brains of tauopathy model 

mice upon MARK4 protein ablation. Briefly, after washing, slices were mounted on a glass 

slide and allowed to completely dry on a heat plate at 42°C, followed by incubation with 0.5 

mM thioflavin S (Merck, T1892) in 50% ethanol for 7 min.

35,36

 The number of thioflavin S-

positive puncta was quantified using default thresholding segmentation and measure-particle 

functions in ImageJ (NIH).

Biochemical analysis

At  nine  months  of  age,  mice  were  sacrificed  by  cervical  dislocation,  and  their  brains  were 

collected, snap-frozen in liquid nitrogen, and kept until further use at -80°C.

In vitro kinase assay

In vitro 

kinase assay

 

was performed

 

to validate kinase activity levels in our 

Mark4

 knockout 

mice.  Mouse  whole  brains  were  homogenized  in  10  vol  (1:10  weight/volume  ratio)  of  3-

morpholino-propane-sulfonic acid (MOPS) buffer (20 mM MOPS, pH 6.8, 1 mM EGTA, 0.1 

mM  EDTA,  0.3  M  NaCl,  1  mM  MgCl

2

,  0.5%  Nonidet  P-40,  and  1  mM  DTT  +  proteinase 

inhibitors: 0.2 mM Pefabloc SC, and 1 mg/mL leupeptin, and phosphatase inhibitors: 10 mM 

Page 8 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

9

 of 

34

-glycerophosphate  and  5  mM  NaF)  with  a  Teflon  pestle  homogenizer  and  centrifuged  at 

10,000×g  for  15  min  at  4°C  to  collect  the  extract  as  a  supernatant.  MARK4  was 

immunoprecipitated  from  brain  lysates  with  an  anti-MARK4  antibody  (Novus  Biologicals, 

NB100-1013)  and  protein-G  Dynabeads  (Thermo  Fisher  Scientific).  Its  kinase  activity  was 

measured using Chktide (SignalChem) and [g-

32

P]ATP as substrates. The incorporation of 

32

into Chktide was quantified using a liquid scintillation counter (Beckman Coulter).

Western blotting

Western blots were performed to analyze the relative protein levels of total and fractionated 

tau. One of the two brain hemispheres was homogenized in 10 vol of radioimmunoprecipitation 

assay (RIPA) buffer (50 mM Tris base, pH 8.0, 0.15 M NaCl, 1% Nonidet P-40, 0.5% Na-

deoxycholate, 5 mM EDTA, 1 mM EGTA, 0.1% SDS + proteinase inhibitors and phosphatase 

inhibitors) using a Teflon pestle homogenizer and centrifuged at 15,800×g for 20 min at 4°C 

to collect the extract as a supernatant. Protein concentration was measured by Bradford protein 

assay (Pierce, 23200)

 

and adjusted to 2 

µg/μL.

 Then, protein homogenates were mixed with 

2×  loading  buffer  (124.8  mM  Tris  base  pH  6.8,  4%  SDS,  20%  glycerol,  0.2  mg/mL 

bromophenol blue, 10% 2-mercaptoethanol + proteinase inhibitors and phosphatase inhibitors) 

to a final concentration of 1 

µg/μL,

 and 10 

μg

 of protein from each sample was loaded to a 

10%  gel  for 

SDS‒PAGE.

  After  gel  electrophoresis,  proteins  were  transferred  to  PVDF 

membranes, which were blocked in 5% bovine serum albumin/TBST (0.1 M Tris base pH 7.6, 

0.15 M NaCl, 0.05% Tween 20) and then incubated with the designated primary and secondary 

antibodies described in Table 2. The band signals were visualized using Immobilon Western 

Chemiluminescent HRP Substrate (Millipore) in Fusion SL (Vilber, France).

Tau protein extraction

Sequential extraction of tau protein was performed to test the effect of MARK4 on tau protein 

solubility.  We  performed  fractionation  analysis  as  previously  described  for  PS19  mice.

34,37

 

Page 9 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

10

 of 

34

Briefly, one brain hemisphere was homogenized in 5 vol high-salt reassemble buffer (HS-RAB: 

100  mM  MES,  pH  7.0,  1  mM  EGTA,  0.5  mM  MgSO

4

,  0.75  M  NaCl,  0.1  mM  EDTA  + 

proteinase inhibitors and phosphatase inhibitors ) using a Teflon pestle homogenizer, and the 

homogenate was centrifuged at 50,000×g in an Optima MAX-TL ultracentrifuge (Beckman 

Coulter, Brea, CA, the United States) for 40 min at 4°C to collect the supernatant as an HS-

RAB soluble fraction. The pellet was homogenized in 1 M sucrose/RAB buffer and the solution 

was centrifuged at 50,000×g for 20 min, followed by pellet homogenization in 1 vol RIPA 

buffer and centrifugation at 50,000×g for 20 min at 4°C to collect the supernatant as a RIPA 

soluble fraction. Next, we extracted a RIPA-insoluble pellet with 1 vol of cold 70% formic acid 

solution and centrifuged it at 15,800×g for 20 min at 4°C to collect the supernatant as an FA 

soluble fraction. The FA fraction was diluted in 1:10 (v/v) neutralization buffer (1 M Tris base, 

0.5  M  Na

2

HPO

4

),  and  the  pH  was  checked  using  pH  strips  (Merck).  All  fractions  were 

processed for western blotting as described above.

Analysis

Experimenters were blind regarding mice genotype during data collection and manual analysis. 

The study design was made to create a random distribution regarding genotype for data and 

sample  collection.  Briefly,  we  crossed  PS19:

Mark4

+/-

  and 

Mark4

+/-

  to  get  littermates  with 

different genotypes, which we split 2-4 per cage in random order; therefore, when mice reached 

the  desired  age  for  experiments,  they  were  assayed  or  collected  in  random  order  regarding 

genotype. For the open field test, the traveled distance and time spent in the middle area (20×20 

cm) were quantified using ToxTrack version 2.96.

38,39

 Western blot and microscopy data were 

analyzed using ImageJ version 1.53c.

40,41

 Band intensities were quantified using gel-selection 

and  plot-line  functions  followed  by  band  peak  underline  area  measurements.  In 

immunohistochemistry experiments, the area covered by astroglia and microglia was quantified 

using  default  thresholding  segmentation  and  measured-particle  functions.  For  other  signals, 

Page 10 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

11

 of 

34

integrated  intensities  were  evaluated  using  the  measurement  function,  followed  by 

normalization to the region of interest size. Data are represented as fold changes, normalized 

to average levels of control (PS19 or WT groups). 

Statistical analysis

Data analysis was performed in GraphPad Prism 9 and GPower 3.1. We computed the required 

total  sample  size  of  54  for  behavioral  experiments  (medium  effect  size 

,

42

  desired 

𝑓

  =  0.5

power 

 ), which means nine mice per experimental group on average. 

1

― 𝛽

  =  0.9

𝛼

  =  0.05

Our “dummy” test for histological analysis predicted five mice per genotype for 0.9 power – 

the  actual  power  was  between  0.8  and  0.9  for  experiments  that  showed  differences  among 

means.  The  Mantel-Cox  test  was  used  to  compare  survival  curves  between  PS19  and 

PS19:

Mark4

+/-

  animals.  A  two-way  analysis  of  variance  (ANOVA)  test  was  used  for  the 

behavioral assay, where 

Mark4

 deficiency was analyzed in WT and PS19 mice followed by a 

Tukey’s multiple comparisons test of the means between each group. For other tests, in which 

the effect of 

Mark4

 deficiency was analyzed in PS19 mice, and WT was used as a negative 

control, one-way ANOVA was implemented, followed by Holm-Sidak’s or Dunnett’s multiple 

comparison tests among the means or between the means of the PS19 and the PS19:

Mark4

+/-

 

or  PS19:

Mark4

-/-

  groups,  respectively.  Data  normality  and  homogeneity  were  tested  by 

D'Agostino-Pearson omnibus (K2) and Barlett’s (one-way ANOVA) or Spearman’s (two-way 

ANOVA)  tests,  correspondingly.  For  thioflavin  S  staining  analysis,  we  performed  a 

Kruskal‒Wallis

 test followed by a Dunn’s multiple comparisons test. Statistical tests for each 

experiment  are  specified  in  the  figure  legends.  Differences  were  considered  statistically 

significant when 

.

𝑝

< 0.05

Results

Mark4 knockout prolonged lifespan and rescued memory deficits in PS19 mice

Page 11 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

12

 of 

34

To test whether MARK4 suppression affects the abnormal behavioral phenotype and 

mortality  of  PS19  mice,  we  crossed  them  with 

Mark4

  knockout  mice  (Figure  1A,  two 

generations F1 and F2). Homozygous 

Mark4

 knockout mice (hereafter referred to as 

Mark4

-/-

are fertile and develop to adulthood without apparent abnormalities.

43,44

 In addition to tail PCR 

genotyping, we confirmed the absence of MARK4 in 

Mark4

-/-

 

mice by western blotting and 

in 

vitro

 kinase assays (Figure 1B, C, S1). PS19 mice have a shorter lifespan,

34

 and in our colony, 

they had a median lifespan of 10.9 months, while all WT and 

Mark4

+/-

 mice survived until 12 

months of age. We found that in the first generation from crossing PS19 and  

Mark4

+/-

  mice 

(F1, Figure 1A) PS19:

Mark4

+/-

 mice lived significantly longer than their PS19 counterparts 

(

, Figure 1D): at 12 months, the survival rates of PS19 and PS19:

Mark4

+/-

 were 16% 

𝑝

< 0.001

vs. 65%, respectively. PS19:

Mark4

+/-

 and PS19:

Mark4

-/-

 obtained by crossing PS19:

Mark4

+/-

 

and  

Mark4

+/-

 

(F2, Figure 1A) showed less number of mice developing ataxia compared to 

PS19  by 9 months old (Table S1).

Hyperactivity  of  PS19  mice,  such  as  enhanced  locomotion  and  more  frequent 

alternations in the Y-maze,

32

 as well as enhanced locomotor activity in the open field test,

32,45

 

has  been  previously  reported.  In  agreement  with  previous  studies,  8-month-old  PS19  mice 

showed  enhanced  locomotor  activity  compared  with  WT  mice  in  the  open  field  test. 

PS19:

Mark4

-/-

 mice showed a shorter, albeit not significantly, traveled distance than PS19 mice 

(

Figure 1E) and spent a similar amount of time in the middle area of the arena as 

𝑝

= 0.46, 

PS19 mice (Supplementary Figure 2A, B).

To assess the  memory  performance of  our  transgenic  mice, we  implemented the  Y-

maze  spontaneous  alteration  (SAT)  and  novel  object  recognition  (NOR)  tests.  The  Y-maze 

SAT is designed to evaluate spatial working memory in mice.

46

 As previously reported,

32,45

 

PS19 mice showed a lower number of correct alternations. Interestingly, 

Mark4

 copy number 

negatively correlated with increased performance of PS19 mice in the Y-maze SAT (57%, 63%, 

Page 12 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

13

 of 

34

71% of correct alternations in PS19, PS19:

Mark4

+/-

, and PS19:

Mark4

-/-

 mice, respectively), 

with  a  significant  difference  between  PS19  and  PS19:

Mark4

-/-

  mice  (

Figure  2F). 

𝑝

< 0.05, 

However,  the  number  of  total  alternations  in  the  Y-maze  was  not  significantly  different 

between experimental groups (Figure S2C). To assay recognition memory in our transgenic 

mice,

33

 we performed the NOR test and observed that PS19 mice performed more poorly than 

WT in agreement with previous studies (

32,45

 and Figure 1G). PS19:

Mark4

+/-

 or PS19:

Mark4

-/-

 

performed  better  than  PS19:  the  NOR  memory  performance  scores  of  PS19:

Mark4

+/-

  and 

PS19:

Mark4

-/-

 were higher than those of PS19 (

 and 

, respectively) and 

𝑝

= 0.063

𝑝

= 0.044

similar to those of WT (

 and 

, respectively, Figure 1G).

𝑝

= 0.99

𝑝

= 0.99

In addition, we did not observe abnormalities in the survival, open field activity, or 

memory functions of our 

Mark4

 knockout mice (Figure 1D–G; WT, 

Mark4

+/-

, and 

Mark4

-/-

 

groups).  Our  findings  corroborate  previous  studies,  which  did  not  identify  pathological 

abnormalities in 

Mark4

 deficient mice.

29,43,44

Mark4 knockout ameliorated the loss of synapses and dendrites in PS19 mice

We were then interested in whether 

Mark4

 knockout affects neurodegeneration in PS19 

mice. To this end, we analyzed neurons and glia in regions involved in memory functions in 

the hippocampus, amygdala, and piriform cortex, where we confirmed a relatively high level 

of  human  P301S  tau  protein  in  the  brain  of  a  nine-month-old  PS19  mouse  (Supplementary 

Figure 3) as was also shown in previous studies.

34,36,47

 First, we performed immunostaining 

using  an  antibody  against  the  postsynaptic  marker  PSD-95  to  identify  synapse  density.  We 

observed that synapse density was lower in all tested brain regions of PS19 mice (

𝑝

< 0.05, 

Figure  2A,  B,  C,  and  Supplementary  Figure  4;  compare  WT  and  PS19).  Although 

PS19:

Mark4

+/-

 brains exhibited only moderate changes in PSD-95 immunoreactivity compared 

with PS19 animals (

, Figure 2A, B, C), PS19:

Mark4

-/-

 brains displayed significantly 

𝑝

> 0.1

higher PSD-95 signal in the amygdala and piriform cortex than PS19 brains (

), and 

𝑝

< 0.05

Page 13 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

14

 of 

34

the signals were as high as those in WT (

 and 

, respectively, Figure 2A, B, 

𝑝

= 0.97

𝑝

= 0.85

C).  The  average  PSD-95  staining  intensity  in  PS19:

Mark4

-/-

  mice  was  also  higher  in  the 

hippocampus than in PS19 mice (

). 

𝑝

= 0.065

Immunostaining with MAP2 antibody was carried out to detect dendritic loss.

48

 Among 

the  tested  regions,  MAP2  immunoreactivity  was  similar  in  the  hippocampus  and  amygdala 

between all experimental groups (

, Figure 2A, C). MAP2 significantly reduced only 

𝑝

  >  0.5

in  the  piriform  cortex  of  PS19  mice  compared  with  the  WT  (

),  whereas  it  was 

𝑝

< 0.01

recovered  in  PS19:

Mark4

-/-

  animals  compared  to  PS19  (

,  Figure  2A,  B,  C,  and 

𝑝

= 0.056

Supplementary Figure 4).

Mark4 knockout reduced Ser356 phosphorylation levels in PS19 mice

MARK4 phosphorylates the 

KXGS

 motifs of the tau microtubule-binding repeats, such 

as at Ser262 and Ser356.

18

 Therefore, we sought to identify whether 

Mark4

 ablation affects tau 

phosphorylation at Ser262 and Ser356 (pSer262 and pSer356) in PS19 mice. Immunostaining 

with  a  tau  anti-pSer262  antibody  showed  no  differences  among  PS19,  PS19:

Mark4

+/-

,  and 

PS19:

Mark4

-/-

  genotypes  in  all  tested  regions  (

,  Figure  3A,  B).  pSer356 

𝑝

> 0.1

immunolabeling  was  weak  in  CA1  and  prevalent  in  CA3  and  the  dentate  gyrus  in  the 

hippocampus  of  PS19  mice  (Figure  3C,  insets).  By  contrast  to  pSer262,  pSer356  signal 

intensity was reduced about two-fold in PS19:

Mark4

+/-

 and PS19:

Mark4

-/-

 compared with PS19 

in all tested regions (Figure 3C, D). The reduction in pSer356 was significant for hippocampus 

and piriform cortex regions in PS19:

Mark4

-/-

 and PS19:

Mark4

+/-

 compared to PS19 (

𝑝

< 0.05

Figure 3D). 

Additionally, we analyzed human tau expression with the human tau-specific antibody 

HT7.  Immunostaining  with  HT7  exhibited  significantly  higher  signal  intensity  in  the 

hippocampus of PS19:

Mark4

-/-

 mice than in PS19 animals (

), whereas it displayed 

𝑝

< 0.05

Page 14 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

15

 of 

34

similar intensity in the amygdala and piriform cortex (

, Figure 3E, F). PS19:

Mark4

+/-

 

𝑝

> 0.1

mice showed similar levels of HT7 tau as PS19 mice (

, Figure 3E, F). 

𝑝

> 0.1

Western  blotting  experiments  confirmed  the  reduction  of  pSer356  in  PS19:

Mark4

-/-

 

compared to PS19 (

, while pSer262 levels were not significantly affected (

𝑝

< 0.05)

𝑝

> 0.1

Figure  3G,  H,  S5,  pSer356,  pSer262).  Total  tau  levels  were  not  significantly  affected  by 

MARK4 knockout in PS19 mice (

, Figure 3G, H, Supplementary Figure 5, HT7).

𝑝

> 0.1

Mark4 knockout reduced AT8-positive tau levels in PS19 mice

Immunostaining intensity using an AT8 antibody (pSer202, pThr205) correlates with 

disease severity in tauopathy.

9

 PS19 mice start to exhibit an AT8 signal above baseline around 

five months of age in the hippocampus.

49

 We conducted immunohistochemistry and western 

blotting to evaluate the effect of 

Mark4

 knockout on the abundance of the AT8 phospho-epitope 

in PS19 mice. We observed lower AT8 staining intensity in PS19:

Mark4

-/-

 than in PS19 mice 

when heterozygous Mark4 knockout has no significant effect on AT8 levels (Figure 4A-C). 

The reduction in AT8 was significant for all tested regions in PS19:

Mark4

-/-

 (

). Next, 

𝑝

< 0.05

we  compared  the  AT8-positive  total  tau  levels  in  brain  lysates.  In  line  with 

immunohistochemistry experiments, a two-fold reduction in AT8 signal in PS19:

Mark4

-/-

 mice 

was  observed  by  western  blotting  (

,  Figure  4C,  Supplementary  Figure  6).  AT8-

𝑝

< 0.01

positive tau levels appeared to be, on average, reduced in PS19:

Mark4

+/-

 compared with PS19 

mice;  however,  this  difference  was  not  significant  (

,  Figure  4C).  Additionally,  we 

𝑝

> 0.1

confirmed the presence of 

Mark4

 knockout in our tested groups (Figure 4C).

Mark4 knockout reduced thioflavin S-positive tau aggregates in PS19 mice

Thioflavin  S-positive  tau  depositions  have  been  observed  in  the  neocortex, 

hippocampus, and amygdala at six months of age in PS19 mice.

34

 Thus, we sought to evaluate 

the effect of MARK4 suppression on NFT pathology in PS19 mice by performing thioflavin S 

staining. Thioflavin S staining of tau appeared as puncta (Figure 5A, white arrows). Thioflavin 

Page 15 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

16

 of 

34

S puncta were significantly fewer in PS19:

Mark4

-/-

 than in PS19 mice in all brain regions tested 

(

,  Figure  5B).  A  reduction  in  Thioflavin  S-positive  puncta  was  observed  in 

𝑝

< 0.05

PS19:

Mark4

+/-

  animals,  but  the  difference  was  not  significant  due  to  variations  among 

individuals  (

).  In  particular,  PS19:

Mark4

+/-

  mice  showed  almost  two-fold  reduction 

𝑝

> 0.1

compared to PS19, and PS19:

Mark4

-/- 

showed further reduction: whereas PS19 had more than 

a hundred puncta, PS19:

Mark4

-/-

 animals displayed only a dozen puncta in average (Figure 

5B).

Next,  we  analyzed  the  effect  of 

Mark4

  knockout  on  tau  solubility  by  conducting 

sequential protein extraction from brain lysates using buffers with different extraction strengths 

(HS-RAB→RIPA→formic

 acid, Figure 5C), followed by western blotting with the anti-human 

tau antibody HT7.

34,37

 Tau in brain homogenates of PS19:

Mark4

+/-

 

and PS19:

Mark4

-/-

 mice 

tended to be fractionated more in HS-RAB and less in RIPA or formic acid fractions compared 

with PS19. Tau proteins in the HS-RAB fraction from PS19:

Mark4

+/-

 

and PS19:

Mark4

-/-

 mice 

were 40% and 28% more, respectively, whereas those in the RIPA fraction were 52% and 37% 

less, than in PS19 samples, respectively (Figure 5C, D, Supplementary Figure 7). Tau proteins 

from PS19:

Mark4

-/-

 samples fractionated to the formic acid fraction and were 33% less than 

those in PS19 brain lysates (Figure 5C, D). However, the difference was insignificant due to 

the large variation among individuals (

).

𝑝

> 0.1

Mark4 knockout reduced astrogliosis in WT and PS19 mice

We also sought to analyze the effect of 

Mark4

 ablation on the activation of microglia 

and  astroglia,  which  are  signs  of  neuroinflammation.  PS19  mice  show  neuroinflammation 

detected by gliosis at six months of age.

34

 Immunostaining with the microglial marker Iba1 

revealed that although the number of microglia was increased in PS19 compared with WT mice, 

it was not significantly reduced upon 

Mark4

 ablation (

 among PS19, PS19:

Mark4

+/-

𝑝

> 0.1

and PS19:

Mark4

-/-

 mice, Figure 6A, B). Glial fibrillary acidic protein (GFAP), a marker of 

Page 16 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

17

 of 

34

reactive  astroglia,  was  increased  in  the  PS19  amygdala  and  piriform  cortex,  indicating 

astrogliosis.  In  contrast  to  microgliosis, 

Mark4

  knockout  displayed  a  prominent  effect  on 

astrogliosis, as GFAP signals were lower in PS19:

Mark4

+/-

 and PS19:

Mark4

-/-

 than those in 

PS19 mice (Figure 6C, D). We observed astrogliosis reduction in both the PS19:

Mark4

+/-

 and 

PS19:

Mark4

-/-

  amygdala  compared  with  PS19  mice  (

).  The  piriform  cortex  in 

𝑝

< 0.05

PS19:

Mark4

-/-

 also showed a reduction in astrogliosis (

). In the hippocampus, GFAP 

𝑝

= 0.053

staining  was  similar  among  WT,  PS19,  PS19:

Mark4

+/-

,  and  PS19:

Mark4

-/-

  mice  (

𝑝

> 0.1

Figure 6B, D). We also analyzed the levels of GFAP in brain extracts by western blotting. 

GFAP  levels  were  significantly  reduced  in  PS19:

Mark4

-/-

  compared  with  PS19  mice 

(

, Figure 6E, Supplementary Figure 8).

𝑝

< 0.001

Since MARK4 is directly involved in inflammation processes,

50

 we were motivated to 

test  whether 

Mark4

  ablation  suppresses  astrogliosis  without  human  tau  expression.  We 

compared  GFAP  staining  of  reactive  astroglia  in  the  hippocampus  of  9-month-old  WT, 

Mark4

+/-

, and 

Mark4

-/-

 mice (Figure 7A), where GFAP-positive astroglia was more abundant 

than  in  other  tested  regions  of  WT  mice  (Figure  6C,  D). 

Mark4

+/-

  mice  showed  the  same 

reactive astroglia levels as their WT counterparts (

, Figure 7B). The GFAP signal was 

𝑝

> 0.5

reduced to less than 50% in 

Mark4

-/-

 mice than in WT mice (

, Figure 7B), indicating 

𝑝

< 0.01

that MARK4 functions independently of tau toxicity in the activation of astroglia.

Discussion

In this study, we analyzed the role of MARK4 in tau-induced neurodegeneration by 

crossing a tauopathy model (PS19)

32,34,45,51

 with 

Mark4

 knockout mice. We showed that 

Mark4

 

deletion  could  decrease  mortality,  ameliorate  memory  deficits,  and  reduce  synapse  and 

dendritic loss in PS19 mice (Figures 1 and 2). 

Mark4

 deficiency decreased the levels of tau 

phosphorylation at Ser356 and AT8 and Thioflavin-S positive aggregates (Figures 3–5). Tau 

Page 17 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

18

 of 

34

solubility  was  also  analyzed  biochemically  with  sequential  protein  extraction  (Figure  5C). 

Although 

Mark4

 deficiency tends to reduce tau insolubility, the difference was not statistically 

significant. The number of animals was limited, and analyses with more animals in the future 

may help to conclude the effect of 

Mark4

 knockout on tau solubility. We also demonstrated 

that 

Mark4

  knockout  suppressed  astrogliosis  in  the  PS19  model  (Figure  6)  and  in  the 

hippocampus of mice that did not express human tau protein (Figure 7), thus revealing a novel 

role  of  MARK4  in  astrogliosis.  In  all  experiments,  MARK4

-/-

  background  improved  PS19 

phenotypes more prominently than MARK

+/-

 background, indicating dosage-dependent effects 

(Figure 1-7). 

Previous reports suggest that a reduction in tau phosphorylation correlates with a lower 

accumulation of pathological aggregates.

36,45,51–53

 As a Par-1/MARK protein family member, 

MARK4  phosphorylates  tau  at  the  serine  residues  of  KXGS  motifs  of  microtubule-binding 

repeats, including Ser262 and Ser356.

20

 Tau phosphorylation at Ser262 was detected in pre-

NFT neurons when prominent staining was observed with the 12E8 antibody, which recognizes 

both pSer262 and pSer356 tau.

9

 This finding suggests that tau phosphorylation at these sites 

promotes  tau  aggregation.  However,  tau  phosphorylation  at  Ser262  has  been  reported  to 

prevent tau aggregation,

54

 and phosphorylation sites that drive tau aggregation do not include 

pSer262.

55

 Interestingly, the effect of Ser356 phosphorylation on tau aggregation has only been 

investigated in the presence of pSer262. Here, we found that 

Mark4

 knockout decreased the 

pSer356 without affecting pSer262 levels in PS19 animals (Figure 3). pSer356 reduction was 

correlated with less AT8-positive tau and fewer thioflavin S-positive tau aggregates (Figures 4 

and  5).  These  results  suggest  that  reduced  tau  phosphorylation  at  Ser356  may  block  its 

aggregation. They are also in agreement with a previous study which demonstrated that the 

NUAK  Family  Kinase  1  (NUAK1)  exclusively  phosphorylated  Ser356,  and  its  ablation 

reduced NFT formation and rescued memory deficits and synaptic plasticity in PS19 mice.

51

 

Page 18 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

19

 of 

34

Interestingly,  both  MARK4  and  NUAK1  ubiquitination  appears  to  be  controlled  by  the 

ubiquitin-specific protease-9,

56

 and they are both associated with AD.

22,23,51

We  found  that 

Mark4

  ablation  caused  a  dramatic  reduction  in  AT8-positive  and 

thioflavin S-positive tau (Figures 4 and 5). Although the AT8 sites, Ser202 and Thr205, are not 

direct MARK4  phosphorylation targets,

57

 MARK4 may affect their phosphorylation via other 

kinases. 

GSK3β

 can phosphorylate more than 15 tau phosphorylation sites, including AT8 sites, 

8,58–61

 and is believed to be essential for tau toxicity 

in vivo

.

62

 AT8 sites are also targets of 

Cdk5,

8,63

 and MARK4 enhances tau phosphorylation mediated by Cdk5.

27

 In 

Drosophila

, it 

was shown that tau phosphorylation at Ser262 and Ser356 by Par-1, the fly homolog of MARK, 

primed tau hyperphosphorylation at 

GSK3β

 sites.

11

 Primed tau phosphorylation was further 

confirmed in mammalian primary neurons.

64

 We observed a two-fold AT8 signal reduction in 

PS19 mice upon 

Mark4

 ablation (Figure 4C), which may, in part, be due to the effects of a 

lower level of primed phosphorylation caused by decreased tau phosphorylation at Ser356. Tau 

phosphorylation at Ser356 affects its interactions with molecular chaperones that enhance tau 

aggregation,

65

 suggesting that altered interactions with molecular chaperones may contribute 

to decreasing the insoluble levels of tau in a 

Mark4

 knockout background. Our results highlight 

a critical role of tau phosphorylation at Ser356 upstream of tau aggregation 

in vivo

.

Finally, we found that 

Mark4

 knockout reduced astrogliosis to wild-type levels in the 

PS19 mouse model (Figure 6), which may also contribute to ameliorating tau toxicity. Previous 

reports  indicate  that  a  reduction  in  microgliosis  and  astrogliosis  attenuates  brain  atrophy 

without changing tau pathogenic phosphorylation,

47

 suggesting that gliosis affects the disease 

phenotype downstream of tau pathological perturbations. Interestingly, microgliosis was not 

significantly affected by 

Mark4

 knockout in PS19 mice (Figure 6), and 

Mark4

 deletion reduced 

the number of active astroglia in the hippocampus of 9-month-old mice that did not express 

human P301S tau (Figure 7). These findings point towards a physiological role of MARK4 in 

Page 19 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

20

 of 

34

astroglia  activation,  independent  of  tau  lesions.  MARK4  has  been  reported  to  mediate  the 

activation  of  NLPR3  inflammasomes,  which  constitute  critical  signaling  platforms  in  bone 

marrow-derived macrophages of the innate immune system.

50

 It has been reported that loss of 

Mark2

  facilitates  activation  of  microglia  in  culture  and  in  the  mouse  brain.

66

  However,  the 

functions in MARK2 in the astrocyte have not been reported. While all MARK family members 

are  expressed  in  astrocytes  (Human  Protein  Atlas  proteinatlas.org,

67

),  we  observed  that 

MARK4  ablation  decreased  astroglia  activation  (Figures  6  and  7),  suggesting  functions  of 

MARK4 in astrocytes are not redundant to other members. 

Mark4

 ablation may ameliorate tau-

induced neurodegeneration by not only reducing pathological tau modifications but also by 

suppressing  astrogliosis.  Further  investigation  of  glial  changes  in  response  to  MARK4 

suppression  in  other  neurodegenerative  disease  models  may  reveal  novel  aspects  of  the 

mechanisms underlying astroglia activation in disease pathogenesis. 

In  this  study,  we  demonstrated  the  critical  role  of  MARK4  in  tau-induced 

neuropathology  and  indicated  that  reducing  MARK4  activity  is  sufficient  to  ameliorate  tau 

pathology.  In  particular, 

Mark4

  knockout  in  PS19  mice  prolonged  survival  and  restored 

memory to wild-type levels, which was accompanied by reduced synapses and dendritic loss, 

disease-associated tau phosphorylation, tau aggregation, and astrogliosis. Our results suggest 

that MARK4 is a reasonable target for the identification of novel tauopathy treatments.

Data availability

The datasets used and/or analyzed in this study are available from the corresponding author 

upon request.

Competing interests

The authors declare that they have no competing interests.

Page 20 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

21

 of 

34

Funding

This work was supported by research grants from the Japan Science and Technology Agency, 

grant number JPMJFS2139 (to GS),

 

the Takeda Science Foundation (to KA), a research award 

from the Japan Foundation for Aging and Health (to KA), the Novartis Foundation (Japan) for 

the  promotion  of  Science  (to  KA),  a  Grant-in-Aid  for  Scientific  Research  on  Challenging 

Research  (Exploratory)  [JSPS  KAKENHI  Grant  number  19K21593]  (to  KA),  and  TMU 

strategic research fund (to KA). 

Acknowledgements

We thank Drs. Naruhiko Sahara (National Institutes for Quantum Science and Technology, 

Chiba, Japan) for valuable advice on the tauopathy mouse model, Akiko Asada (Department 

of Biological Sciences, Tokyo Metropolitan University) for technical help and comments, and  

Shin-Ichi Hisanaga (Department of Biological Sciences, Tokyo Metropolitan University) for 

critical comments on the manuscript.

References

1. 

Grundke-Iqbal I, Iqbal K, Tung YC, Quinlan M, Wisniewski HM, Binder LI. Abnormal 

phosphorylation  of  the  microtubule-associated  protein  tau  (tau)  in  Alzheimer 

cytoskeletal  pathology. 

Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A

.  1986;83(13):4913-4917. 

doi:10.1073/pnas.83.13.4913

2. 

Wood JG, Mirra SS, Pollock NJ, Binder LI. Neurofibrillary tangles of Alzheimer disease 

share  antigenic  determinants  with  the  axonal  microtubule-associated  protein  tau 

(τ).

 

Proc Natl Acad Sci U S A

. 1986;83(11):4040-4043. doi:10.1073/pnas.83.11.4040

3. 

Kosik KS, Joachim CL, Selkoe DJ. Microtubule-associated protein tau 

(τ)

 is a major 

Page 21 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

22

 of 

34

antigenic component of paired helical filaments in Alzheimer disease. 

Proc Natl Acad 

Sci U S A

. 1986;83(11):4044-4048. doi:10.1073/pnas.83.11.4044

4. 

Bancher C, Braak H, Fischer P, Jellinger KA. Neuropathological staging of Alzheimer 

lesions and intellectual status in Alzheimer’s and Parkinson’s disease patients. 

Neurosci 

Lett

. 1993;162(1-2):179-182. doi:10.1016/0304-3940(93)90590-H

5. 

Braak, H., & Braak E. Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. 

Acta 

Neuropathol

. 1991;82(4):239–259. doi:10.1007/BF00308809

6. 

World  Health  Organization.  Accessed  March  15,  2023.  https://www.who.int/news-

room/fact-sheets/detail/dementia#:~:text=Alzheimer  disease  is  the  most,60–70%25  of 

cases.

7. 

Iqbal,  K.,  Liu,  F.,  Gong,  C.  X.,  &  Grundke-Iqbal  I.  Tau  in  Alzheimer  Disease  and 

Related 

Tauopathies. 

Curr 

Alzheimer 

Res

2010;7(8):656-665. 

doi:10.2174/156720510793611592

8. 

Hanger DP, Anderton BH, Noble W. Tau phosphorylation: the therapeutic challenge for 

neurodegenerative 

disease. 

Trends 

Mol 

Med

2009;15(3):112-119. 

doi:10.1016/j.molmed.2009.01.003

9. 

Augustinack  JC,  Schneider  A,  Mandelkow  EM,  Hyman  BT.  Specific  tau 

phosphorylation sites correlate with severity of neuronal cytopathology in Alzheimer’s 

disease. 

Acta Neuropathol

. 2002;103(1):26-35. doi:10.1007/s004010100423

10. 

Wesseling H, Mair W, Kumar M, et al. Tau PTM Profiles Identify Patient Heterogeneity 

and 

Stages 

of 

Alzheimer’s 

Disease. 

Cell

2020;183(6):1699-1713.e13. 

doi:10.1016/j.cell.2020.10.029

11. 

Nishimura I, Yang Y, Lu B. PAR-1 kinase plays an initiator role in a temporally ordered 

phosphorylation process that confers tau toxicity in Drosophila. 

Cell

. 2004;116(5):671-

682. doi:10.1016/S0092-8674(04)00170-9

Page 22 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

23

 of 

34

12. 

Dickey  CA,  Kamal  A,  Lundgren  K,  et  al.  The  high-affinity  HSP90-CHIP  complex 

recognizes and selectively degrades phosphorylated tau client proteins. 

J Clin Invest

2007;117(3):648-658. doi:10.1172/JCI29715

13. 

Zhang S, Zhu Y, Lu J, et al. Specific binding of Hsp27 and phosphorylated Tau mitigates 

abnormal 

Tau 

aggregation-induced 

pathology. 

Elife

2022;11:1-20. 

doi:10.7554/eLife.79898

14. 

Zempel H, Thies E, Mandelkow E, Mandelkow EM. 

 oligomers cause localized Ca2+ 

elevation,  missorting  of  endogenous  Tau  into  dendrites,  Tau  phosphorylation,  and 

destruction  of  microtubules  and  spines. 

J  Neurosci

.  2010;30(36):11938-11950. 

doi:10.1523/JNEUROSCI.2357-10.2010

15. 

Ambadipudi S, Biernat J, Riedel D, Mandelkow E, Zweckstetter M. Liquid-liquid phase 

separation of the microtubule-binding repeats of the Alzheimer-related protein Tau. 

Nat 

Commun

. 2017;8(1):1-13. doi:10.1038/s41467-017-00480-0

16. 

Chatterjee  S,  Sang  TK,  Lawless  GM,  Jackson  GR.  Dissociation  of  tau  toxicity  and 

phosphorylation: Role of 

GSK-3β,

 MARK and Cdk5 in a Drosophila model. 

Hum Mol 

Genet

. 2009;18(1):164-177. doi:10.1093/hmg/ddn326

17. 

Iijima  K,  Gatt  A,  Iijima-Ando  K.  Tau  Ser262  phosphorylation  is  critical  for 

Aβ42-

induced tau toxicity in a transgenic Drosophila model of Alzheimer’s disease. 

Hum Mol 

Genet

. 2010;19(15):2947-2957. doi:10.1093/hmg/ddq200

18. 

Drewes G, Ebneth A, Preuss U, Mandelkow EM, Mandelkow E. MARK, a novel family 

of  protein  kinases  that  phosphorylate  microtubule-  associated  proteins  and  trigger 

microtubule disruption. 

Cell

. 1997;89(2):297-308. doi:10.1016/S0092-8674(00)80208-

1

19. 

Mandelkow EM, Thies E, Trinczek B, Biernat J, Mandelkow E. MARK/PAR1 kinase is 

a regulator of microtubule-dependent transport in axons. 

J Cell Biol

. 2004;167(1):99-

Page 23 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

24

 of 

34

110. doi:10.1083/jcb.200401085

20. 

Trinczek  B,  Brajenovic  M,  Ebneth  A,  Drewes  G.  MARK4  Is  a  Novel  Microtubule-

associated Proteins/Microtubule Affinity-regulating Kinase That Binds to the Cellular 

Microtubule  Network  and  to  Centrosomes. 

J  Biol  Chem

.  2004;279(7):5915-5923. 

doi:10.1074/jbc.M304528200

21. 

Biernat  J,  Gustke  N,  Drewes  G,  Mandelkow  E,  Mandelkow  E.  Phosphorylation  of 

Ser262 strongly reduces binding of tau to microtubules: Distinction between PHF-like 

immunoreactivity  and  microtubule  binding. 

Neuron

.  1993;11(1):153-163. 

doi:10.1016/0896-6273(93)90279-Z

22. 

Lund H, Gustafsson E, Svensson A, et al. MARK4 and MARK3 associate with early tau 

phosphorylation  in  Alzheimer’s  disease  granulovacuolar  degeneration  bodies. 

Acta 

Neuropathol Commun

. 2014;2(1):1-15. doi:10.1186/2051-5960-2-22

23. 

Gu GJ, Lund H, Wu D, et al. Role of individual MARK isoforms in phosphorylation of 

tau  at  Ser  262  in  Alzheimer’s  disease. 

NeuroMolecular  Med

.  2013;15(3):458-469. 

doi:10.1007/s12017-013-8232-3

24. 

Rovelet-Lecrux  A,  Charbonnier  C,  Wallon  D,  et  al.  De  novo  deleterious  genetic 

variations target a biological network centered on 

 peptide in early-onset Alzheimer 

disease. 

Mol Psychiatry

. 2015;20(9):1046-1056. doi:10.1038/mp.2015.100

25. 

Pathak GA, Zhou Z, Silzer TK, Barber RC, Phillips NR. Two-stage Bayesian GWAS of 

9576  individuals  identifies  SNP  regions  that  are  targeted  by  miRNAs  inversely 

expressed  in  Alzheimer’s  and  cancer. 

Alzheimer’s  Dement

.  2020;16(1):162-177. 

doi:10.1002/alz.12003

26. 

Iijima-Ando  K,  Sekiya  M,  Maruko-Otake  A,  et  al.  Loss  of  Axonal  Mitochondria 

Promotes  Tau-Mediated  Neurodegeneration  and  Alzheimer’s  Disease-Related  Tau 

Phosphorylation 

Via 

PAR-1. 

PLoS 

Genet

2012;8(8). 

Page 24 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

25

 of 

34

doi:10.1371/journal.pgen.1002918

27. 

Saito  T,  Oba  T,  Shimizu  S,  Asada  A,  Iijima  KM,  Ando  K.  Cdk5  increases  MARK4 

activity  and  augments  pathological  tau  accumulation  and  toxicity  through  tau 

phosphorylation 

at 

Ser262. 

Hum 

Mol 

Genet

2019;28(18):3062-3071. 

doi:10.1093/hmg/ddz120

28. 

Oba  T,  Saito  T,  Asada  A,  Shimizu  S,  Iijima  KM,  Ando  K.  Microtubule  affinity-

regulating  kinase  4  with  an  Alzheimer’s  disease-related  mutation  promotes  tau 

accumulation and exacerbates neurodegeneration. 

J Biol Chem

. 2020;295(50):17138-

17147. doi:10.1074/jbc.RA120.014420

29. 

Sun  C,  Tian  L,  Nie  J,  Zhang  H,  Han  X,  Shi  Y.  Inactivation  of  MARK4,  an  AMP-

activated protein kinase (AMPK)-related kinase, leads to insulin Hypersensitivity and 

resistance  to  diet-induced  obesity. 

J  Biol  Chem

.  2012;287(45):38305-38315. 

doi:10.1074/jbc.M112.388934

30. 

Hayden EY, Putman J, Nunez S, et al. Ischemic axonal injury up-regulates MARK4 in 

cortical  neurons  and  primes  tau  phosphorylation  and  aggregation. 

Acta  Neuropathol 

Commun

. 2019;7(1):135. doi:10.1186/s40478-019-0783-6

31. 

Kirihara Y, Takechi M, Kurosaki K, Kobayashi Y, Kurosawa T. Anesthetic effects of a 

mixture of medetomidine, midazolam and butorphanol in two strains of mice. 

Exp Anim

2013;62(3):173-180. doi:10.1538/expanim.62.173

32. 

Takeuchi H, Iba M, Inoue H, et al. P301S mutant human tau transgenic mice manifest 

early symptoms of human tauopathies with dementia and altered sensorimotor gating. 

PLoS One

. 2011;6(6). doi:10.1371/journal.pone.0021050

33. 

Leger M, Quiedeville A, Bouet V, et al. Object recognition test in mice. 

Nat Protoc

2013;8(12):2531-2537. doi:10.1038/nprot.2013.155

34. 

Yoshiyama  Y,  Higuchi  M,  Zhang  B,  et  al.  Synapse  Loss  and  Microglial  Activation 

Page 25 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

26

 of 

34

Precede  Tangles  in  a  P301S  Tauopathy  Mouse  Model. 

Neuron

.  2007;53(3):337-351. 

doi:10.1016/j.neuron.2007.01.010

35. 

Shin  J,  Park  S,  Lee  HY,  Kim  YS.  Thioflavin-positive  tau  aggregates  complicating 

quantification of amyloid plaques in the brain of 5XFAD transgenic mouse model. 

Sci 

Rep

. 2021;11(1):1-9. doi:10.1038/s41598-021-81304-6

36. 

DeVos SL, Miller RL, Schoch KM, Holmes BB, Kebodeaux CS, Wegener AJ, Chen G, 

Shen T, Tran H, Nichols B, Zanardi TA, Kordasiewicz HB, Swayze EE, Bennett CF, 

Diamond MI MT. Tau Reduction Prevents Neuronal Loss and Reverses Pathological 

Tau  Deposition  and  Seeding  in  Mice  with  Tauopathy. 

Sci  Transl  Med

doi:10.1126/scitranslmed.aag0481

37. 

Julien C, Bretteville A, Planel E. Biochemical isolation of insoluble tau in transgenic 

mouse models of tauopathies. 

Methods Mol Biol

. 2012;849:473-491. doi:10.1007/978-

1-61779-551-0_32

38. 

Rodriguez A, Zhang H, Klaminder J, Brodin T, Andersson PL, Andersson M. ToxTrac: 

A fast and robust software for tracking organisms. 

Methods Ecol Evol

. 2018;9(3):460-

464. doi:10.1111/2041-210X.12874

39. 

Rodriguez  A,  Zhang  H,  Klaminder  J,  Brodin  T,  Andersson  M.  ToxId:  An  efficient 

algorithm to solve occlusions when tracking multiple animals. 

Sci Rep

. 2017;7(1):1-8. 

doi:10.1038/s41598-017-15104-2

40. 

Rasband WS. ImageJ, U. S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA. 

https://imagej.nih.gov/ij/

41. 

Schneider CA, Rasband WS, Eliceiri KW. Image to ImageJ: 25 years of image analysis. 

Nature methods. 

Nat Methods

. 2012;9(7):671-675.

42. 

Sullivan GM, Feinn R.  Using Effect Size—or Why the P Value Is Not Enough . 

J Grad 

Med Educ

. 2012;4(3):279-282. doi:10.4300/jgme-d-12-00156.1

Page 26 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

27

 of 

34

43. 

International  Mouse  Phenotyping  Consortium,  MGI:1920955.  Published  2023. 

www.mousephenotype.org

44. 

Groza  T,  Gomez  FL,  Mashhadi  HH,  et  al.  The  International  Mouse  Phenotyping 

Consortium:  comprehensive  knockout  phenotyping  underpinning  the  study  of  human 

disease. 

Nucleic Acids Res

. 2023;51(D1):D1038-D1045. doi:10.1093/nar/gkac972

45. 

Apicco DJ, Ash PEA, Maziuk B, et al. Reducing the RNA binding protein TIA1 protects 

against  tau-mediated  neurodegeneration  in  vivo. 

Nat  Neurosci

.  2018;21(1):72-82. 

doi:10.1038/s41593-017-0022-z

46. 

Kraeuter AK, Guest PC, Sarnyai Z. The Y-Maze for Assessment of Spatial Working and 

Reference Memory in Mice. 

Methods Mol Biol

. 2019;1916:105-111. doi:10.1007/978-

1-4939-8994-2_10

47. 

Leyns  CEG,  Ulrich  JD,  Finn  MB,  et  al.  TREM2  deficiency  attenuates 

neuroinflammation  and  protects  against  neurodegeneration  in  a  mouse  model  of 

tauopathy. 

Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A

.  2017;114(43):11524-11529. 

doi:10.1073/pnas.1710311114

48. 

Rockenstein E, Overk CR, Ubhi K, et al. A novel triple repeat mutant Tau transgenic 

model that mimics aspects of Pick’s disease and fronto-temporal tauopathies. 

PLoS One

2015;10(3):1-19. doi:10.1371/journal.pone.0121570

49. 

Kaufman SK, Thomas TL, Del Tredici K, Braak H, Diamond MI. Characterization of 

tau prion seeding activity and strains from formaldehyde-fixed tissue. 

Acta Neuropathol 

Commun

. 2017;5(1):41. doi:10.1186/s40478-017-0442-8

50. 

Li X, Thome S, Ma X, et al. MARK4 regulates NLRP3 positioning and inflammasome 

activation through a microtubule-dependent mechanism. 

Nat Commun

. 2017;8(May):1-

13. doi:10.1038/ncomms15986

51. 

Lasagna-Reeves CA, de Haro M, Hao S, et al. Reduction of Nuak1 Decreases Tau and 

Page 27 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

28

 of 

34

Reverses  Phenotypes  in  a  Tauopathy  Mouse  Model. 

Neuron

.  2016;92(2):407-418. 

doi:10.1016/j.neuron.2016.09.022

52. 

Ahmad F, Mein H, Jing Y, Zhang H, Liu P. Behavioural functions and cerebral blood 

flow in a p301s tauopathy mouse model: A time-course study. 

Int J Mol Sci

. 2021;22(18). 

doi:10.3390/ijms22189727

53. 

Tang SJ, Fesharaki-Zadeh A, Takahashi H, et al. Fyn kinase inhibition reduces protein 

aggregation,  increases  synapse  density  and  improves  memory  in  transgenic  and 

traumatic Tauopathy. 

Acta Neuropathol Commun

. 2020;8(1):1-21. doi:10.1186/s40478-

020-00976-9

54. 

Schneider  A,  Biernat  J,  Von  Bergen  M,  Mandelkow  E,  Mandelkow  EM. 

Phosphorylation  that  detaches  tau  protein  from  microtubules  (Ser262,  Ser214)  also 

protects it against  aggregation into Alzheimer  paired  helical filaments. 

Biochemistry

1999;38(12):3549-3558. doi:10.1021/bi981874p

55. 

Despres C, Byrne C, Qi H, et al. Identification of the Tau phosphorylation pattern that 

drives  its  aggregation. 

Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A

.  2017;114(34):9080-9085. 

doi:10.1073/pnas.1708448114

56. 

Al-Hakim AK, Zagorska A, Chapman L, Deak M, Peggie M, Alessi  DR. Control  of 

AMPK-related  kinases  by  USP9X  and  atypical  Lys  29/Lys33-linked  polyubiquitin 

chains. 

Biochem J

. 2008;411(2):249-260. doi:10.1042/BJ20080067

57. 

Drewes  G,  Ebneth  A,  Mandelkow  EM.  MAPs,  MARKs  and  microtubule  dynamics. 

Trends Biochem Sci

. 1998;23(8):307-311. doi:10.1016/S0968-0004(98)01245-6

58. 

Ishiguro K, Takamatsu M, Tomizawa K, et al. Tau protein kinase I converts normal tau 

protein  into  A68-like  component  of  paired  helical  filaments. 

J  Biol  Chem

1992;267(15):10897-10901. doi:10.1016/s0021-9258(19)50102-8

59. 

Mandelkow  EM,  Drewes  G,  Biernat  J,  et  al.  Glycogen  synthase  kinase-3  and  the 

Page 28 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

29

 of 

34

Alzheimer-like  state  of  microtubule-associated  protein  tau. 

FEBS  Lett

1992;314(3):315-321. doi:10.1016/0014-5793(92)81496-9

60. 

Reynolds CH, Betts JC, Blackstock WP, Nebreda AR, Anderton BH. Phosphorylation 

sites  on  tau  identified  by  nanoelectrospray  mass  spectrometry:  Differences  in  vitro 

between the mitogen-activated protein kinases ERK2, c-Jun N-terminal kinase and P38, 

and  glycogen  synthase  kinase- 

3β.

 

J  Neurochem

.  2000;74(4):1587-1595. 

doi:10.1046/j.1471-4159.2000.0741587.x

61. 

Godemann R, Biernat J, Mandelkow E, Mandelkow EM. Phosphorylation of tau protein 

by recombinant 

GSK-3β:

 Pronounced phosphorylation at select Ser/Thr-Pro motifs but 

no phosphorylation at Ser262 in the repeat domain. 

FEBS Lett

. 1999;454(1-2):157-164. 

doi:10.1016/S0014-5793(99)00741-3

62. 

Takashima  A.  GSK-3  is  essential  in  the  pathogenesis  of  Alzheimer’s  disease. 

Alzheimer’s Dis

. 2006;9(SUPPL. 3):309-317. doi:10.3233/jad-2006-9s335

63. 

Kimura T, Ishiguro K, Hisanaga SI. Physiological and pathological phosphorylation of 

tau by Cdk5. 

Front Mol Neurosci

. 2014;7(JULY):1-10. doi:10.3389/fnmol.2014.00065

64. 

Bertrand J, Plouffe V, Sénéchal P, Leclerc N. The pattern of human tau phosphorylation 

is  the  result  of  priming  and  feedback  events  in  primary  hippocampal  neurons. 

Neuroscience

. 2010;168(2):323-334. doi:10.1016/j.neuroscience.2010.04.009

65. 

Mok SA, Condello C, Freilich R, et al. Mapping interactions with the chaperone network 

reveals factors that protect against tau aggregation. 

Nat Struct Mol Biol

. 2018;25(5):384-

393. doi:10.1038/s41594-018-0057-1

66. 

Dibona VL, Zhu W, Shah MK, et al. Loss of Par1b/MARK2 primes microglia during 

brain  development  and  enhances  their  sensitivity  to  injury. 

J  Neuroinflammation

2019;16(1):1-15. doi:10.1186/s12974-018-1390-3

67. 

Karlsson M, Zhang C, Méar L, et al. A single–cell type transcriptomics map of human 

Page 29 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

30

 of 

34

tissues. 

Sci Adv

. 2021;7(31):1-9. doi:10.1126/sciadv.abh2169

Figure Legends

Figure  1.  MARK4  knockout  prolonged  lifespan  and  rescued  memory  deficits  in  PS19 

mice.

 

(A) 

Transgenic mouse breeding scheme and experimental timeline. 

(B) 

Western blot of 

MARK4  from  total  brain  lysates  of  WT  (

Mark4

+/+

), 

Mark4

+/-

,  and 

Mark4

-/-

  mice.  See 

Supplementary  Figure  1  for  uncropped  blots.

  (C)

  The

 

kinase  activity  of  MARK4 

immunoprecipitated from WT, 

Mark4

+/-

, and 

Mark4

-/-

 mouse brain. The activity was measured 

as counts per minute of [g-

32

P]ATP incorporation into substrate peptides. Data represent the 

mean 

 standard deviation (SD). 

(D) 

Kaplan‒Meier

 survival curve of PS19 compared with 

±

PS19:

Mark4

+/-

 from the first generation (F1) of cross PS19 and 

Mark4

+/-

. The endpoint for 

survival experiments was 12 months of age: 16% of the PS19 and 65% of PS19:

Mark4

+/-

 mice 

survived by this time. PS19 and PS19:

Mark4

+/-

 curves were compared using a Mantel-Cox test 

(***

). 

  (WT), 

  (

Mark4

+/-

), 

  (PS19),  and 

 

𝑝

= 0.0008

𝑁

= 15

𝑁

= 15

𝑁

= 19

𝑁

= 20

(PS19:

Mark4

+/-

). 

(E) 

Total  distance  traveled  within  10  minutes  in  the  open  field  test.  Data 

represent  the  mean 

  SD. 

  to 

  mice/group.  Two-way  Analysis  of  Variance 

±

𝑁

= 8

𝑁

= 13

(ANOVA) was used to investigate the effect of the PS19 genotype (

). *

𝑝

= 0.0041

𝑝

< 0.05

Tukey’smultiple  comparisons  test. 

(F) 

Percentage  of  correct  alteration  in  the  Y-maze 

spontaneous  alteration  test.  Data  represent  the  mean 

  SD. 

  to 

  mice/group. 

±

𝑁

= 8

𝑁

= 11

Two-way ANOVA revealed the interaction effect between PS19 and 

Mark4

 knockout mice 

(

).  *

;  Tukey’s  multiple  comparisons  test. 

(G) 

The  discrimination  index 

𝑝

= 0.0413

𝑝

< 0.05

was quantified to assess recognition memory in WT and PS19 mice in the presence or absence 

of 

Mark4

. Data represent the mean 

 SD. 

 to 

 mice/group. *

; two-way 

±

𝑁

= 5

𝑁

= 10

𝑝

< 0.05

ANOVA with Tukey’s multiple comparisons test.

Page 30 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

31

 of 

34

Figure 2. 

Mark4

 knockout ameliorated the loss of synapses and dendrites in PS19 mice.

 

(A) 

Representative  images  of  double  immunostaining  of  the  hippocampus,  amygdala,  and 

piriform cortex regions for the postsynaptic marker PSD-95 and dendritic marker MAP2. The 

dashed line highlights the hippocampus (H), piriform cortex (PC), and amygdala (A). Insets 

represent magnified CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 

500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). 

(B) 

Representative laser scanning confocal microscopy images of 

neurons  in  the  piriform  cortex  for  PSD-95  (magenta),  MAP2  (green),  and  DAPI  (blue). 

Separate channel images are in Figure 3S. Scale bar, 10 

μm.

(C) 

Quantification of PSD-95 and 

MAP2 integrated intensity in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex normalized to 

the region area size. Fold changes are represented relative to WT levels. Data represent the 

mean 

 standard deviation (SD). 

 to 

  mice/group. *

; one-way Analysis 

±

𝑁

= 4

𝑁

= 5

𝑝

< 0.05

of Variance (ANOVA) with Holm-Sidak’s multiple comparisons test. Mice were nine months 

old.

Figure 3. 

Mark4

 knockout decreased tau phosphorylation at Ser356.

 

(A) 

Representative 

images of pSer262 tau immunostaining in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex. 

(B)

 Graphs show the integrated intensity quantification normalized to the region area size. Fold 

changes are represented relative to levels in PS19 mice. Data represent the mean 

 standard 

±

deviation (SD). 

 to 

 mice/group. ns, nonsignificant; one-way Analysis of Variance 

𝑁

= 4

𝑁

= 5

(ANOVA) with Dunnett’s multiple comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala 

(A),  and  piriform  cortex  (PC)  regions.  Scale  bars,  500 

μm

  and  50 

μm

  (insets). 

(C) 

Representative  images  of  pSer356  tau  immunostaining  with 

(D)

  its  integrated  intensity 

quantification in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex. Data represent the mean 

 

±

SD. 

 to 

 mice/group. ns, nonsignificant; *

; **

; one-way ANOVA 

𝑁

= 4

𝑁

= 5

𝑝

< 0.05

𝑝

< 0.01

with Dunnett’s multiple comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala (A), and 

piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). 

(E) 

Representative images 

Page 31 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

32

 of 

34

of  total  human  tau  (HT7)  protein  immunostaining  with 

(F)

  its  integrated  intensity 

quantification in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex. Data represent the mean 

 

±

SD. 

  to 

  mice/group.  ns,  nonsignificant;  *

;  one-way  ANOVA  with 

𝑁

= 4

𝑁

= 5

𝑝

< 0.05

Dunnett’s  multiple  comparisons  test.  Insets  represent  the  CA1,  CA3,  amygdala  (A),  and 

piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). 

(G) 

Immunoblot of human 

total  (HT7),  pSer262,  and  pSer356  tau  from  brain  lysates  of  WT,  PS19,  PS19:MARK4

+/-

PS19:MARK4

-/-

  with 

(H)

  band  integrated  intensity  quantification  and  normalization  to 

GAPDH (HT7) or total tau levels (pSer262 and pSer356). Fold changes are represented relative 

to  levels  in  PS19  samples.  Data  represent  the  mean 

  SD. 

  mice/group.  ns, 

±

𝑁

= 5

nonsignificant; *

; one-way ANOVA with Dunnett’s multiple comparisons test. See 

𝑝

< 0.05

Supplementary Figure 5 for uncropped blots. 

Figure 4. 

Mark4

 knockout reduced tau phosphorylation at AT8 sites in PS19 mice.

 

(A) 

Representative  images  of  AT8  (pSer202/pThr205)  immunostaining,  with 

(B)

  integrated 

intensity  quantification  in  the  hippocampus,  amygdala,  and  piriform  cortex.  The  average 

background signal from WT was subtracted. Fold changes are represented relative to levels in 

PS19. Data represent the mean 

 standard deviation (SD). 

 to 

 mice/group. ns, 

±

𝑁

= 4

𝑁

= 5

nonsignificant;  *

;  **

;  ***

;  one-way  Analysis  of  Variance 

𝑝

< 0.05

𝑝

< 0.01

𝑝

< 0.001

(ANOVA) with Dunnett’s

 

multiple comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala 

(A), and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). 

(C) 

Immunoblot 

of AT8 and MARK4 from brain lysates of WT, PS19, PS19:MARK4

+/-

, PS19:MARK4

-/-

 with 

AT8 band integrated intensity quantification (brackets) and normalization to total human tau 

protein levels. The average background signal from WT mice was subtracted. Fold changes are 

represented  relative  to  levels  in  PS19  samples.  Data  represent  the  mean 

  SD. 

 

±

𝑁

= 5

mice/group.  ns,  nonsignificant;  *

;  one-way  ANOVA  with  Dunnett’s  multiple 

𝑝

< 0.05

comparisons test. See Supplementary Figure 6 for uncropped blots.

Page 32 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

33

 of 

34

Figure 5. Reduction of thioflavin S-positive tau aggregates and increasing tau solubility 

as  a  result  of 

Mark4

  knockout  in  PS19  mice.

 

(A) 

Representative  images  of  thioflavin  S 

staining of the hippocampus, amygdala, and piriform cortex of the mouse brain. Examples of 

thioflavin S-positive (ThioS

+

) puncta are labeled with arrows in the magnified panels. Panels 

represent CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 

50 

μm

  (panels). 

(B) 

Quantification  of  the  amount  of  ThioS

+

  puncta  in  the  hippocampus, 

amygdala, and piriform cortex. Data represent the mean 

 standard deviation (SD). 

 to 

±

𝑁

= 4

 mice/group. ns, nonsignificant; *

Kruskal‒Wallis

 test with Dunn’s multiple 

𝑁

= 5

𝑝

< 0.05

comparison test. 

(C) 

Western blot of total human tau (HT7) from high-salt reassembly buffer 

(HS-RAB), radioimmunoprecipitation assay (RIPA) buffer, and formic acid extraction of brain 

lysates of WT, PS19, PS19:

Mark4

+/-

, PS19:

Mark4

-/-

 mice with 

(D)

 band integrated intensity 

quantification normalized to GAPDH levels for HS-RAB lysate. Fold changes are represented 

relative to levels in PS19 samples. Data represent the mean 

 SD. 

 mice/group. No 

±

𝑁

= 3

significant differences between groups were found (

). One-way Analysis of Variance 

𝑝

> 0.05

(ANOVA)  with  Dunnett’s  multiple  comparisons  test.  See  Supplementary  Figure  7  for 

uncropped blots.

Figure 6. 

Mark4

 knockout reduced astrogliosis

 

in PS19 mice.

 

(A) 

Representative images of 

Iba1  immunostaining  with 

(B)

  quantification  of  the  percentage  of  Iba1-positive  area  in  the 

hippocampus, amygdala, and piriform cortex. Data represent the mean 

 standard deviation 

±

(SD). 

 to 

 mice/group. ns, nonsignificant (

); **

, ***

𝑁

= 4

𝑁

= 5

𝑝

> 0.05

𝑝

< 0.01

𝑝

< 0.001

one-way Analysis of Variance (ANOVA) with Holm-Sidak’s multiple comparisons test. Insets 

represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 

and  50 

μm

  (insets).  LSCM:  laser  scanning  confocal  microscopy  images  of  piriform  cortex. 

Scale bar, 50 

μm.

 

(C)

 

Representative images of GFAP immunostaining with 

(D)

 quantification 

of the percentage of GFAP-positive area in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex. 

Page 33 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Page 

34

 of 

34

Data represent the mean 

 SD. 

 to 

 mice/group. ns, not significant (

); *

±

𝑁

= 4

𝑁

= 5

𝑝

> 0.05

; **

; one-way ANOVA with Holm-Sidak’s multiple comparisons test. Insets 

𝑝

< 0.05

𝑝

< 0.01

represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 

and  50 

μm

  (insets).  LSCM:  laser  scanning  confocal  microscopy  images  of  piriform  cortex 

region.  Scale  bar,  50 

μm.

 

(E) 

Immunoblot  of  GFAP  from  total  brain  lysate  of  WT,  PS19, 

PS19:

Mark4

+/-

,  PS19:

Mark4

-/-

  mice  with  GFAP  bands  integral  intensity  quantification 

normalized by GAPDH. Data are mean 

 SD. 

 mice/group. ns – non-significant, ***

±

𝑁

= 3

;  One-way  ANOVA  with  Holm-Sidak’s  multiple  comparisons  test.  See 

𝑝

< 0.001

Supplementary Figure 8 for uncropped blots.

Figure  7. 

Mark4

  knockout  reduced  astrogliosis

 

in  the  hippocampus  of  wild-type  (WT) 

mice.

 

(A)

  Representative  images  of  GFAP  immunostaining  with 

(B)

  quantification  of  the 

percentage of GFAP-covered area in the hippocampus of WT, 

Mark4

+/-

, and 

Mark4

-/-

 mice. 

Data  represent  the  mean 

  standard  deviation  (SD). 

  to 

  mice/group.  ns, 

±

𝑁

= 4

𝑁

= 5

nonsignificant; **

; one-way Analysis of Variance (ANOVA) with Dunnett’s multiple 

𝑝

< 0.01

comparisons  test.  Insets  represent  the  CA1,  CA3,  amygdala  (A),  and  piriform  cortex  (PC) 

regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). LSCM: laser scanning confocal microscopy 

images of hippocampus CA1 region. Scale bar, 50 

μm.

Page 34 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Table 1

. Primers

Gene

Primer name

Sequence 5' 

 3'

MARK4

common forward

GCATGTGAACCTGTGTGAAAGGAG

MARK4

wild type reverse

TCAATGATCTTAATAGCGACCTGTGG

MARK4

mutant reverse

CCCTGATACTGATCCCAGCTCCAG

P301S Tau common forward

TTGAAGTTGGGTTATCAATTTGG

P301S Tau wild type reverse

TTCTTGGAACACAAACCATTTC

P301S Tau mutant reverse

AAATTCCTCAGCAACTGTGG

Page 35 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

Table 2. 

Antibody list

Antibody

Distributor, reference

Host

WB dilution

IHC dilution RRID

Anti-MAP2

Millipore, ab5622

Rabbit

na

1:500

AB_91939

Anti-PSD95

DSHB, K28/43

Mouse

na

1:500

AB_2877189

Anti-GAPDH

Novus, NB100-56875

Rabbit

1:3000

na

AB_838305

Anti-pSer262 tau

Abcam, ab131354

Rabbit

na

1:500

AB_11156689

Anti-pSer356 tau

Abcam, ab75603

Rabbit

na

1:200

AB_1310736

Anti-human tau, HT7

Thermo Fisher Scientific, 
MN1000

Mouse

1:5000

1:1000

AB_2314654

Anti-MARK4

Cell Signaling Technology, 
4834

Rabbit

1:250

na

AB_2140610

Anti-pSer202/pThr205 tau, 
AT8

Thermo Fisher Scientific, 
MN1020

Mouse

1:1500

1:500

AB_223647

Anti-tau, Tau5

Millipore, MAB361

Mouse

1:2000

na

AB_94944

Anti-GFAP

GeneTex, GTX89226

Goat

1:2000

1:500

AB_10724708

Anti-Iba1

FUJIFILM Wako, 011-27991

Goat

na

1:500

AB_2935833

Anti-mouse IgG

Dako, P0447

Goat

1:4000

na

AB_2617137

Anti-rabbit IgG

Dako, P0399

Goat

1:4000

na

AB_2617141

Anti-goat IgG

Dako, P0449

Rabbit

1:4000

na

AB_2617143

Anti-rabbit IgG, alexa fluor 
488

Thermo Fisher Scientific, 
A11008

Goat

na

1:500

AB_143165

Anti-mouse IgG, alexa 
fluor 546

Thermo Fisher Scientific, 
A11003

Goat

na

1:500

AB_2534071

Anti-goat IgG, alexa fluor 
488

Abcam, ab150133

Donkey

na

1:500

AB_2832252

na - not applicable

Page 36 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

 

Figure 1. MARK4 knockout prolonged lifespan and rescued memory deficits in PS19 mice. (A) Transgenic 

mouse breeding scheme and experimental timeline. (B) Western blot of MARK4 from total brain lysates of 
WT (Mark4+/+), Mark4+/-, and Mark4-/- mice. See Supplementary Figure 1 for uncropped blots. (C) The 

kinase activity of MARK4 immunoprecipitated from WT, Mark4+/-, and Mark4-/- mouse brain. The activity 

was measured as counts per minute of [g-32P]ATP incorporation into substrate peptides. Data represent the 

mean ± standard deviation (SD). (D) 

Kaplan‒Meier

 survival curve of PS19 compared with PS19:Mark4+/- 

from the first generation (F1) of cross PS19 and Mark4+/-. The endpoint for survival experiments was 12 

months of age: 16% of the PS19 and 65% of PS19:Mark4+/- mice survived by this time. PS19 and 

PS19:Mark4+/- curves were compared using a Mantel-Cox test (***p=0.0008). N=15 (WT), N=15 

(Mark4+/-), N=19 (PS19), and N=20 (PS19:Mark4+/-). (E) Total distance traveled within 10 minutes in the 

open field test. Data represent the mean ± SD. N=8 to N=13 mice/group. Two-way Analysis of Variance 

(ANOVA) was used to investigate the effect of the PS19 genotype (p=0.0041). *p<0.05; Tukey’smultiple 

comparisons test. (F) Percentage of correct alteration in the Y-maze spontaneous alteration test. Data 

represent the mean ± SD. N=8 to N=11 mice/group. Two-way ANOVA revealed the interaction effect 

Page 37 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

between PS19 and Mark4 knockout mice (p=0.0413). *p<0.05; Tukey’s multiple comparisons test. (G) The 

discrimination index was quantified to assess recognition memory in WT and PS19 mice in the presence or 

absence of Mark4. Data represent the mean ± SD. N=5 to N=10 mice/group. *p<0.05; two-way ANOVA 

with Tukey’s multiple comparisons test. 

180x258mm (300 x 300 DPI) 

Page 38 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

 

Figure 2. Mark4 knockout ameliorated the loss of synapses and dendrites in PS19 mice. (A) Representative 

images of double immunostaining of the hippocampus, amygdala, and piriform cortex regions for the 

postsynaptic marker PSD-95 and dendritic marker MAP2. The dashed line highlights the hippocampus (H), 

piriform cortex (PC), and amygdala (A). Insets represent magnified CA1, CA3, amygdala (A), and piriform 

cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). (B) Representative laser scanning confocal 

microscopy images of neurons in the piriform cortex for PSD-95 (magenta), MAP2 (green), and DAPI (blue). 

Separate channel images are in Figure 3S. Scale bar, 10 

μm.(C)

 Quantification of PSD-95 and MAP2 

integrated intensity in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex normalized to the region area size. 

Fold changes are represented relative to WT levels. Data represent the mean ± SD. N=4 to N=5 

 mice/group. *p<0.05; one-way ANOVA with Holm-Sidak’s multiple comparisons test. Mice were nine 

months old. 

180x258mm (300 x 300 DPI) 

Page 39 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

 

Figure 3. Mark4 knockout decreased tau phosphorylation at Ser356. (A) Representative images of pSer262 

tau immunostaining in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex. (B) Graphs show the integrated 

intensity quantification normalized to the region area size. Fold changes are represented relative to levels in 

PS19 mice. Data represent the mean ± standard deviation (SD). N=4 to N=5 mice/group. ns, 

nonsignificant; one-way Analysis of Variance (ANOVA) with Dunnett’s multiple comparisons test. Insets 

represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 

(insets). (C) Representative images of pSer356 tau immunostaining with (D) its integrated intensity 

quantification in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex. Data represent the mean ± SD. N=4 to 

N=5 mice/group. ns, nonsignificant; *p<0.05; **p<0.01; one-way ANOVA with Dunnett’s multiple 

comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. Scale 

bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). (E) Representative images of total human tau (HT7) protein 

immunostaining with (F) its integrated intensity quantification in the hippocampus, amygdala, and piriform 

cortex. Data represent the mean ± SD. N=4 to N=5 mice/group. ns, nonsignificant; *p<0.05; one-way 

ANOVA with Dunnett’s multiple comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform 

cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). (G) Immunoblot of human total (HT7), 

Page 41 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

pSer262, and pSer356 tau from brain lysates of WT, PS19, PS19:MARK4+/-, PS19:MARK4-/- with (H) band 

integrated intensity quantification and normalization to GAPDH (HT7) or total tau levels (pSer262 and 

pSer356). Fold changes are represented relative to levels in PS19 samples. Data represent the mean ± SD. 

N=5 mice/group. ns, nonsignificant; *p<0.05; one-way ANOVA with Dunnett’s multiple comparisons test. 

See Supplementary Figure 5 for uncropped blots. 

180x210mm (300 x 300 DPI) 

Page 42 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

 

Figure 4. Mark4 knockout reduced tau phosphorylation at AT8 sites in PS19 mice. (A) Representative images 

of AT8 (pSer202/pThr205) immunostaining, with (B) integrated intensity quantification in the hippocampus, 

amygdala, and piriform cortex. The average background signal from WT was subtracted. Fold changes are 

represented relative to levels in PS19. Data represent the mean ± standard deviation (SD). N=4 to N=5 

mice/group. ns, nonsignificant; *p<0.05; **p<0.01; ***p<0.001; one-way Analysis of Variance (ANOVA) 

with Dunnett’s multiple comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex 

(PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). (C) Immunoblot of AT8 and MARK4 from brain lysates 

of WT, PS19, PS19:MARK4+/-, PS19:MARK4-/- with AT8 band integrated intensity quantification (brackets) 

and normalization to total human tau protein levels. The average background signal from WT mice was 

subtracted. Fold changes are represented relative to levels in PS19 samples. Data represent the mean ± SD. 

N=5 mice/group. ns, nonsignificant; *p<0.05; one-way ANOVA with Dunnett’s multiple comparisons test. 

See Supplementary Figure 6 for uncropped blots. 

180x247mm (300 x 300 DPI) 

Page 43 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

 

Figure 5. Reduction of thioflavin S-positive tau aggregates and increasing tau solubility as a result of Mark4 

knockout in PS19 mice. (A) Representative images of thioflavin S staining of the hippocampus, amygdala, 

and piriform cortex of the mouse brain. Examples of thioflavin S-positive (ThioS+) puncta are labeled with 

arrows in the magnified panels. Panels represent CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. 

Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (panels). (B) Quantification of the amount of ThioS+ puncta in the 

hippocampus, amygdala, and piriform cortex. Data represent the mean ± SD. N=4 to N=5 mice/group. ns, 

nonsignificant; *p<0.05; 

Kruskal‒Wallis

 test with Dunn’s multiple comparison test. (C) Western blot of total 

human tau (HT7) from high-salt reassembly buffer (HS-RAB), radioimmunoprecipitation assay (RIPA) buffer, 

and formic acid extraction of brain lysates of WT, PS19, PS19:Mark4+/-, PS19:Mark4-/- mice with (D) band 

integrated intensity quantification normalized to GAPDH levels for HS-RAB lysate. Fold changes are 

represented relative to levels in PS19 samples. Data represent the mean ± SD. N=3 mice/group. No 

significant differences between groups were found (p>0.05). One-way ANOVA with Dunnett’s multiple 

comparisons test. All uncropped blots are in Figure S7. 

493x333mm (300 x 300 DPI) 

Page 45 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

 

Figure 6. Mark4 knockout reduced astrogliosis in PS19 mice. (A) Representative images of Iba1 

immunostaining with (B) quantification of the percentage of Iba1-positive area in the hippocampus, 

amygdala, and piriform cortex. Data represent the mean ± standard deviation (SD). N=4 to N=5 

mice/group. ns, nonsignificant (p>0.05); **p<0.01, ***p<0.001; one-way Analysis of Variance (ANOVA) 

with Holm-Sidak’s multiple comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform 

cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). LSCM: laser scanning confocal microscopy 

images of piriform cortex. Scale bar, 50 

μm.

 (C) Representative images of GFAP immunostaining with (D) 

quantification of the percentage of GFAP-positive area in the hippocampus, amygdala, and piriform cortex. 

Data represent the mean ± SD. N=4 to N=5 mice/group. ns, not significant (p>0.05); *p<0.05; **p<0.01; 

one-way ANOVA with Holm-Sidak’s multiple comparisons test. Insets represent the CA1, CA3, amygdala (A), 

and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 (insets). LSCM: laser scanning confocal 

microscopy images of piriform cortex region. Scale bar, 50 

μm.

 (E) Immunoblot of GFAP from total brain 

lysate of WT, PS19, PS19:Mark4+/-, PS19:Mark4-/- mice with GFAP bands integral intensity quantification 

normalized by GAPDH. Data are mean ± SD. N=3 mice/group. ns – non-significant, ***p<0.001; One-way 

ANOVA with Holm-Sidak’s multiple comparisons test. See Supplementary Figure 8 for uncropped blots. 

180x114mm (300 x 300 DPI) 

Page 46 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

 

Figure 7. Mark4 knockout reduced astrogliosis in the hippocampus of wild-type (WT) mice. (A) 

Representative images of GFAP immunostaining with (B) quantification of the percentage of GFAP-covered 

area in the hippocampus of WT, Mark4+/-, and Mark4-/- mice. Data represent the mean ± SD. N=4 to N=5 

mice/group. ns, nonsignificant; **p<0.01; one-way ANOVA with Dunnett’s multiple comparisons test. Insets 

represent the CA1, CA3, amygdala (A), and piriform cortex (PC) regions. Scale bars, 500 

μm

 and 50 

μm

 

(insets). LSCM: laser scanning confocal microscopy images of hippocampus CA1 region. Scale bar, 50 

μm.

 

323x158mm (300 x 300 DPI) 

Page 47 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024

fcae136-html.html
background image

For Review Only

Tauopathy mouse PS19

Neuronal integrity
Memory

Lifespan

MARK4

-/-

Phospho-tau
Tau aggregates

Astrogliosis 

x

PS19:MARK4

-/-

Page 48 of 45

https://mc.manuscriptcentral.com/braincom

Manuscripts submitted to Brain Communications

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

ACCEPTED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/braincomms/advance-article/doi/10.1093/braincomms/fcae136/7648813 by UCSD-Philosophy user on 02 May 2024