Abstract A GGGGCC repeat expansion in C9orf72 is the most common genetic cause of ALS and FTD (C9ALS/FTD). The presence of dipeptide repeat (DPR) proteins, generated by translation of the expanded repeat, is a major pathogenic feature of C9ALS/FTD pathology, but their most relevant effects in a physiological context are not known. Here, we generated C9orf72 DPR knock-in mouse models characterised by physiological expression of 400 codon-optimised polyGR or polyPR repeats, and heterozygous C9orf72 reduction. (GR)400 and (PR)400 knock-in mice exhibit cortical neuronal hyperexcitability, age-dependent spinal motor neuron loss and progressive motor dysfunction, showing that they recapitulate key features of C9FTD/ALS. Quantitative proteomics revealed an increase in extracellular matrix (ECM) proteins in (GR)400 and (PR)400 spinal cord, with the collagen COL6A1 the most increased protein. This signature of increased ECM proteins was also present in C9ALS patient iPSC-motor neurons indicating it is a conserved feature of C9ALS/FTD. TGF-β1 was one of the top predicted regulators of this ECM signature and polyGR expression in human iPSC-neurons was sufficient to induce TGF-β1 followed by COL6A1, indicating TGF-β1 is one driver of the ECM signature. Knockdown of the TGF-β1 or COL6A1 orthologue in Drosophila dramatically and specifically exacerbated neurodegeneration in polyGR flies, showing that TGF-β1 and COL6A1 protect against polyGR toxicity. Altogether, our physiological C9orf72 DPR knock-in mice have revealed a neuroprotective and conserved ECM signature in C9FTD/ALS.

SUMMARY The abnormal assembly of tau protein in neurons is the pathological hallmark of multiple neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease (AD). In addition, assembled tau associates with extracellular vesicles (EVs) in the central nervous system of patients with AD, which is linked to its clearance and prion-like propagation between neurons. However, the identities of the assembled tau species and the EVs, as well as how they associate, are not known. Here, we combined quantitative mass spectrometry, cryo-electron tomography and single-particle cryo-electron microscopy to study brain EVs from AD patients. We found filaments of truncated tau enclosed within EVs enriched in endo-lysosomal proteins. We observed multiple filament interactions, including with molecules that tethered filaments to the EV limiting membrane, suggesting selective packaging. Our findings will guide studies into the molecular mechanisms of EV-mediated secretion of assembled tau and inform the targeting of EV-associated tau as potential therapeutic and biomarker strategies for AD.

Axonal degeneration underlies neuromuscular disorders and neuropathies. Dysregulation of neurotrophic factors, such as brain-derived neurotrophic factor (BDNF), in the peripheral nervous system has long been established to exacerbate axonopathy. However, the molecular programs controlled by BDNF that facilitate axonal regeneration and transport are not well-understood. Here, we unravel the transcriptomic and phosphorylation landscape shaped by BDNF in human iPSC-derived motor neurons. Using SLAM-Seq, we reveal BDNF stimulation increases global transcription rate in motor neurons and governs gene regulatory networks that converge with those engaged during axonal repair/outgrowth. Phosphoproteomic analyses demonstrate that BDNF remodels the phosphorylation landscape of cytoskeletal-binding proteins, especially of structural microtubule-associated proteins. Importantly, the localized axonal-specific activation of ERK1/2 is necessary for BDNF to enhance axonal transport of neurotrophin-containing signaling endosomes and to potentiate axonal regeneration after axotomy. Collectively, this work unveils a novel molecular paradigm that positions BDNF as a core regulator of transcriptional and phosphorylation programs driving axonal regeneration and transport in human motor neurons.