Nuclear pore complexes (NPCs) regulate information transfer between the nucleus and cytoplasm. NPC defects are linked to several neurological diseases, but the processes governing NPC biogenesis and spatial organization are poorly understood. Here, we identify a temporal window of strongly upregulated NPC biogenesis during neuronal maturation. We demonstrate that the AAA+ protein torsinA, whose loss of function causes the neurodevelopmental movement disorder DYT-TOR1A (DYT1) dystonia, coordinates NPC spatial organization during this period without impacting total NPC density. Using a new mouse line in which endogenous Nup107 is Halo-Tagged, we find that torsinA is essential for correct localization of NPC formation. In the absence of torsinA, the inner nuclear membrane buds excessively at sites of mislocalized, nascent NPCs, and NPC assembly completion is delayed. Our work implies that NPC spatial organization and number are independently regulated and suggests that torsinA is critical for the normal localization and assembly kinetics of NPCs.

One of the characteristic areas of brainstem degeneration across multiple spinocerebellar ataxias (SCAs) is the inferior olive (IO), a medullary nucleus that plays a key role in motor learning. In addition to its vulnerability in SCAs, the IO is also susceptible to a distinct pathology known as hypertrophic olivary degeneration (HOD). Clinically, HOD has been exclusively observed after lesions in the brainstem disrupt inhibitory afferents to the IO. Here, for the first time, we describe HOD in another context: spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1). Using the genetically-precise SCA1 knock-in mouse model (SCA1-KI; both sexes used), we assessed SCA1-associated changes in IO neuron structure and function. Concurrent with degeneration, we found that SCA1-KI IO neurons are hypertrophic, exhibiting early dendrite lengthening and later somatic expansion. Unlike in previous descriptions of HOD, we observed no clear loss of IO inhibitory innervation; nevertheless, patch-clamp recordings from brainstem slices reveal that SCA1-KI IO neurons are hyperexcitable. Rather than synaptic disinhibition, we identify increases in intrinsic membrane excitability as the more likely mechanism underlying this novel SCA1 phenotype. Specifically, transcriptome analysis indicates that SCA1-KI IO hyperexcitability is associated with a reduced medullary expression of ion channels responsible for spike afterhyperpolarization (AHP) in IO neurons - a result that has a functional consequence, as SCA1-KI IO neuron spikes exhibit a diminished AHP. These results reveal membrane excitability as a potential link between disparate causes of IO degeneration, suggesting that HOD can result from any cause, intrinsic or extrinsic, that increases excitability of the IO neuron membrane.

Genetic redundancy can be exploited to identify therapeutic targets for inherited disorders. An example is DYT1 dystonia, a neurodevelopmental movement disorder caused by a loss-of-function (LOF) mutation in the TOR1A gene encoding torsinA. Prior work demonstrates that torsinA and its paralog torsinB have conserved functions at the nuclear envelope. This work established that low neuronal levels of torsinB dictate the neuronal selective phenotype of nuclear membrane budding. Here, we examined whether torsinB expression levels impact the onset or severity of abnormal movements, or neuropathological features in DYT1 mouse models. We demonstrate that torsinB levels bidirectionally regulate these phenotypes. Reducing torsinB levels causes a dose-dependent worsening whereas torsinB overexpression rescues torsinA LOF-mediated abnormal movements and neurodegeneration. These findings identify torsinB as a potent modifier of torsinA LOF phenotypes and suggest that augmentation of torsinB expression level may retard or prevent symptom development in DYT1 dystonia.

Abstract Dystonia is a disabling disease that manifests as prolonged involuntary twisting movements. DYT-THAP1 is an inherited form of isolated dystonia caused by mutations in THAP1 encoding the transcription factor THAP1. The phe81leu (F81L) missense mutation is representative of a category of poorly understood mutations that do not occur on residues critical for DNA binding. Here, we demonstrate that the F81L mutation (THAP1 F81L ) impairs THAP1 transcriptional activity and disrupts CNS myelination. Strikingly, THAP1 F81L exhibits normal DNA binding but causes a significantly reduced DNA binding of YY1, its transcriptional partner that also has an established role in oligodendrocyte lineage progression. Our results suggest a model of molecular pathogenesis whereby THAP1 F81L normally binds DNA but is unable to efficiently organize an active transcription complex.

ABSTRACT Mechanisms controlling myelination during CNS maturation play a pivotal role in the development and refinement of CNS circuits. The transcription factor THAP1 is essential for timing the inception of myelination during CNS maturation through a cell-autonomous role in the oligodendrocyte lineage. Here, we demonstrate that THAP1 modulates ECM composition by regulating glycosaminoglycan (GAG) catabolism within oligodendrocyte progenitor cells (OPCs). Thap1 -/- OPCs accumulate and secrete excess GAGs, inhibiting their maturation through an auto-inhibitory mechanism. THAP1 controls GAG metabolism by binding to and regulating the GusB gene encoding β-glucuronidase, a GAG-catabolic lysosomal enzyme. Applying GAG-degrading enzymes or overexpressing β-glucuronidase rescues Thap1 -/- OL maturation deficits in vitro and in vivo. Our studies establish lysosomal GAG catabolism within OPCs as a critical mechanism regulating oligodendrocyte development.