Evidence suggests that aberrant RNA processing contributes to amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Using RNA sequencing, Prudencio et al. assessed the extent of transcriptome defects in C9orf72-associated (c9ALS) and sporadic ALS (sALS) brains. They report extensive defects in expression, alternative splicing and alternative polyadenylation that are significantly distinct between individuals with c9ALS and sALS. Increasing evidence suggests that defective RNA processing contributes to the development of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). This may be especially true for ALS caused by a repeat expansion in C9orf72 (c9ALS), in which the accumulation of RNA foci and dipeptide-repeat proteins are expected to modify RNA metabolism. We report extensive alternative splicing (AS) and alternative polyadenylation (APA) defects in the cerebellum of c9ALS subjects (8,224 AS and 1,437 APA), including changes in ALS-associated genes (for example, ATXN2 and FUS), and in subjects with sporadic ALS (sALS; 2,229 AS and 716 APA). Furthermore, heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H (hnRNPH) and other RNA-binding proteins are predicted to be potential regulators of cassette exon AS events in both c9ALS and sALS. Co-expression and gene-association network analyses of gene expression and AS data revealed divergent pathways associated with c9ALS and sALS.

A repeat expansion in C9ORF72 causes frontotemporal dementia and amyotrophic lateral sclerosis (c9FTD/ALS). RNA of the expanded repeat (r(GGGGCC)exp) forms nuclear foci or undergoes repeat-associated non-ATG (RAN) translation, producing “c9RAN proteins.” Since neutralizing r(GGGGCC)exp could inhibit these potentially toxic events, we sought to identify small-molecule binders of r(GGGGCC)exp. Chemical and enzymatic probing of r(GGGGCC)8 indicate that it adopts a hairpin structure in equilibrium with a quadruplex structure. Using this model, bioactive small molecules targeting r(GGGGCC)exp were designed and found to significantly inhibit RAN translation and foci formation in cultured cells expressing r(GGGGCC)66 and neurons transdifferentiated from fibroblasts of repeat expansion carriers. Finally, we show that poly(GP) c9RAN proteins are specifically detected in c9ALS patient cerebrospinal fluid. Our findings highlight r(GGGGCC)exp-binding small molecules as a possible c9FTD/ALS therapeutic and suggest that c9RAN proteins could potentially serve as a pharmacodynamic biomarker to assess efficacy of therapies that target r(GGGGCC)exp.

The occurrence of repeat-associated non-ATG (RAN) translation, an atypical form of translation of expanded repeats that results in the synthesis of homopolymeric expansion proteins, is becoming more widely appreciated among microsatellite expansion disorders. Such disorders include amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia caused by a hexanucleotide repeat expansion in the C9ORF72 gene (c9FTD/ALS). We and others have recently shown that this bidirectionally transcribed repeat is RAN translated, and the “c9RAN proteins” thusly produced form neuronal inclusions throughout the central nervous system of c9FTD/ALS patients. Nonetheless, the potential contribution of c9RAN proteins to disease pathogenesis remains poorly understood. In the present study, we demonstrate that poly(GA) c9RAN proteins are neurotoxic and may be implicated in the neurodegenerative processes of c9FTD/ALS. Specifically, we show that expression of poly(GA) proteins in cultured cells and primary neurons leads to the formation of soluble and insoluble high molecular weight species, as well as inclusions composed of filaments similar to those observed in c9FTD/ALS brain tissues. The expression of poly(GA) proteins is accompanied by caspase-3 activation, impaired neurite outgrowth, inhibition of proteasome activity, and evidence of endoplasmic reticulum (ER) stress. Of importance, ER stress inhibitors, salubrinal and TUDCA, provide protection against poly(GA)-induced toxicity. Taken together, our data provide compelling evidence towards establishing RAN translation as a pathogenic mechanism of c9FTD/ALS, and suggest that targeting the ER using small molecules may be a promising therapeutic approach for these devastating diseases.

Individuals carrying (GGGGCC) expanded repeats in the C9orf72 gene represent a significant portion of patients suffering from amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Elucidating how these expanded repeats cause "c9FTD/ALS" has since become an important goal of the field. Toward this end, we sought to investigate whether epigenetic changes are responsible for the decrease in C9orf72 expression levels observed in c9FTD/ALS patients. We obtained brain tissue from ten c9FTD/ALS individuals, nine FTD/ALS cases without a C9orf72 repeat expansion, and nine disease control participants, and generated fibroblastoid cell lines from seven C9orf72 expanded repeat carriers and seven participants carrying normal alleles. Chromatin immunoprecipitation using antibodies for histone H3 and H4 trimethylated at lysines 9 (H3K9), 27 (H3K27), 79 (H3K79), and 20 (H4K20) revealed that these trimethylated residues bind strongly to C9orf72 expanded repeats in brain tissue, but not to non-pathogenic repeats. Our finding that C9orf72 mRNA levels are reduced in the frontal cortices and cerebella of c9FTD/ALS patients is consistent with trimethylation of these histone residues, an event known to repress gene expression. Moreover, treating repeat carrier-derived fibroblasts with 5-aza-2-deoxycytidine, a DNA and histone demethylating agent, not only decreased C9orf72 binding to trimethylated histone residues, but also increased C9orf72 mRNA expression. Our results provide compelling evidence that trimethylation of lysine residues within histones H3 and H4 is a novel mechanism involved in reducing C9orf72 mRNA expression in expanded repeat carriers. Of importance, we show that mutant C9orf72 binding to trimethylated H3K9 and H3K27 is detectable in blood of c9FTD/ALS patients. Confirming these exciting results using blood from a larger cohort of patients may establish this novel epigenetic event as a biomarker for c9FTD/ALS.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) are two devastating and fatal neurodegenerative conditions. While distinct, they share many clinical, genetic, and pathological characteristics 1 , and both show selective vulnerability of layer 5b extratelencephalic-projecting cortical populations, including Betz cells in ALS 2,3 and von Economo neurons (VENs) in FTLD 4,5 . Here, we report the first high resolution single-cell atlas of the human primary motor cortex (MCX) and its transcriptional alterations in ALS and FTLD across ~380,000 nuclei from 64 individuals, including 17 control samples and 47 sporadic and C9orf72 -associated ALS and FTLD patient samples. We identify 46 transcriptionally distinct cellular subtypes including two Betz-cell subtypes, and we observe a previously unappreciated molecular similarity between Betz cells and VENs of the prefrontal cortex (PFC) and frontal insula. Many of the dysregulated genes and pathways are shared across excitatory neurons, including stress response, ribosome function, oxidative phosphorylation, synaptic vesicle cycle, endoplasmic reticulum protein processing, and autophagy. Betz cells and SCN4B + long-range projecting L3/L5 cells are the most transcriptionally affected in both ALS and FTLD. Lastly, we find that the VEN/Betz cell-enriched transcription factor, POU3F1, has altered subcellular localization, co-localizes with TDP-43 aggregates, and may represent a cell type-specific vulnerability factor in the Betz cells of ALS and FTLD patient tissues.

Abstract Neurodegenerative diseases, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), are strongly influenced by inherited genetic variation, but environmental and epigenetic factors also play key roles in the course of these diseases. A hexanucleotide repeat expansion in the C9orf72 (C9) gene is the most common genetic cause of ALS and FTD. To determine the cellular alterations associated with the C9 repeat expansion, we performed single nucleus transcriptomics (snRNA-seq) and epigenomics (snATAC-seq) in postmortem samples of motor and frontal cortices from C9-ALS and C9-FTD donors. We found pervasive alterations of gene expression across multiple cortical cell types in C9-ALS, with the largest number of affected genes in astrocytes and excitatory neurons. Astrocytes increased expression of markers of activation and pathways associated with structural remodeling. Excitatory neurons in upper and deep layers increased expression of genes related to proteostasis, metabolism, and protein expression, and decreased expression of genes related to neuronal function. Epigenetic analyses revealed concordant changes in chromatin accessibility, histone modifications, and gene expression in specific cell types. C9-FTD patients had a distinct pattern of changes, including loss of neurons in frontal cortex and altered expression of thousands of genes in astrocytes and oligodendrocyte-lineage cells. Overall, these findings demonstrate a context-dependent molecular disruption in C9-ALS and C9-FTD, resulting in distinct effects across cell types, brain regions, and disease phenotypes. One Sentence Summary C9orf72-associated ALS and FTD showed a distinct pattern of transcriptome changes, with the largest number of affected genes in C9-ALS in astrocytes and excitatory neurons in upper and deep layers.

Background: The human genome contains 'dark' gene regions that cannot be adequately assembled or aligned using standard short-read sequencing technologies, preventing researchers from identifying mutations within these gene regions that may be relevant to human disease. Here, we identify regions that are 'dark by depth' (few mappable reads) and others that are 'camouflaged' (ambiguous alignment), and we assess how well long-read technologies resolve these regions. We further present an algorithm to resolve most camouflaged regions (including in short-read data) and apply it to the Alzheimer's Disease Sequencing Project (ADSP; 13142 samples), as a proof of principle. Results: Based on standard whole-genome Illumina sequencing data, we identified 37873 dark regions in 5857 gene bodies (3635 protein-coding) from pathways important to human health, development, and reproduction. Of the 5857 gene bodies, 494 (8.4%) were 100% dark (142 protein-coding) and 2046 (34.9%) were ≥5% dark (628 protein-coding). Exactly 2757 dark regions were in protein-coding exons (CDS) across 744 genes. Long-read sequencing technologies from 10x Genomics, PacBio, and Oxford Nanopore Technologies reduced dark CDS regions to approximately 45.1%, 33.3%, and 18.2% respectively. Applying our algorithm to the ADSP, we rescued 4622 exonic variants from 501 camouflaged genes, including a rare, ten-nucleotide frameshift deletion in CR1, a top Alzheimer's disease gene. Conclusions: While we could not formally assess the CR1 frameshift mutation in Alzheimer's disease (insufficient sample-size), we believe it merits investigating in a larger cohort. There remain thousands of potentially important genomic regions overlooked by short-read sequencing that are largely resolved by long-read technologies.