Abstract Hydrogen Peroxide (H 2 O 2 ) is a central oxidant in redox biology due to its pleiotropic role in physiology and pathology. However, real-time monitoring of H 2 O 2 in living cells and tissues remains a challenge. We address this gap with the development of an optogenetic hydRogen perOxide Sensor (oROS), leveraging the bacterial peroxide binding domain OxyR. Previously engineered OxyR-based fluorescent peroxide sensors lack the necessary sensitivity or response speed for effective real-time monitoring. By structurally redesigning the fusion of Escherichia coli (E. coli) ecOxyR with a circularly permutated green fluorescent protein (cpGFP), we created a novel, green-fluorescent peroxide sensor oROS-G. oROS-G exhibits high sensitivity and fast on-and-off kinetics, ideal for monitoring intracellular H 2 O 2 dynamics. We successfully tracked real-time transient and steady-state H 2 O 2 levels in diverse biological systems, including human stem cell-derived neurons and cardiomyocytes, primary neurons and astrocytes, and mouse neurons and astrocytes in ex vivo brain slices. These applications demonstrate oROS’s capabilities to monitor H 2 O 2 as a secondary response to pharmacologically induced oxidative stress, G-protein coupled receptor (GPCR)-induced cell signaling, and when adapting to varying metabolic stress. We showcased the increased oxidative stress in astrocytes via Aβ-putriscine-MAOB axis, highlighting the sensor’s relevance in validating neurodegenerative disease models. oROS is a versatile tool, offering a window into the dynamic landscape of H 2 O 2 signaling. This advancement paves the way for a deeper understanding of redox physiology, with significant implications for diseases associated with oxidative stress, such as cancer, neurodegenerative disorders, and cardiovascular diseases.

Abstract Neuroinflammation is an established factor contributing to amyotrophic lateral sclerosis (ALS) pathology, implicating the possible detrimental effects of inflammatory cytokines on motor neurons. The RNA/DNA-binding protein TDP-43 has emerged as a pivotal actor in ALS, because TDP-43 mutations cause familial ALS and loss of nuclear TDP-43, associated with its redistribution into cytoplasmic aggregates (TDP-43 proteinopathy) in motor neurons occurs in 97% of ALS cases. However, mechanisms linking neuroinflammation to TDP-43 mislocalization have not been described. Programmed death-ligand 1 (PD-L1) is an immune-modulatory protein, highly expressed on cell surfaces following acute inflammatory stress. To determine which inflammatory cytokines might impact motor neuron function, seven cytokines known to be elevated in ALS patients’ cerebrospinal fluid were tested for their effects on PD-L1 expression in human iPSC-derived motor neurons. Among the tested cytokines, only interferon-γ (IFN-γ) was found to strongly promote PD-L1 expression. Thus, we hypothesized that excessive exposure to IFN-γ may contribute to motor neuron degeneration in ALS. We observed that neuronal populations exposed to IFN-γ exhibited severe TDP-43 cytoplasmic aggregation and excitotoxic behavior correlated with impaired neural firing activity, hallmarks of ALS pathology, in both normal and ALS mutant (TARDB1K+/-) neurons. Single-cell RNA sequencing revealed possible mechanisms for these effects. Motor neurons exposed to IFN-γ exhibited an extensive shift of their gene expression profile toward a neurodegenerative phenotype. Notably, IFN-γ treatment induced aberrant expression levels for 70 genes that are listed in the recent literature as being dysregulated in various ALS subtypes. Additionally, we found that genes related to neuronal electrophysiology, protein aggregation, and TDP-43 misregulation were abnormally expressed in IFN-γ treated cells. Moreover, IFN-γ induced a significant reduction in the expression of genes that encode indispensable proteins for neuromuscular synapse development and maintenance, implying that the continuous cytokine exposure could directly impair signal transmission between motor axons and muscle membranes. Our findings suggest that IFN-γ could be a potent upstream pathogenic driver of ALS and provide potential candidates for future therapeutic targets to treat sporadic forms of ALS, which account for roughly 90% of reported cases.