Summary Expanded intronic G 4 C 2 repeats in the C9orf72 gene cause several cases of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). These repeats are translated through a non-AUG-dependent mechanism into five different dipeptides (DPRs), including poly-glycine-arginine (GR), which is aggregation-prone and eventually neurotoxic. Here, we report that Kapβ2 and GR interact, co-aggregating in primary neurons in-vitro and CNS tissue in-vivo . Importantly, this interaction improves the overall survival of neurons expressing GR. Downregulation of Kap β2 is detrimental to the survival of neurons only if GR is expressed, whereas increased Kap β2 levels mitigate GR-mediated neurotoxicity. notably, we did not find any changes in TDP-43 localization nor in the dynamic properties of the GR aggregates when Kapβ2 was over-expressed. These findings support the design of therapeutic strategies aimed at modulating Kap β2 levels as a potential new avenue for contrasting neurodegeneration in C9orf72-ALS/FTD.

ABSTRACT The ALS/FTD-linked intronic hexanucleotide repeat expansion in the C9orf72 gene is translated into dipeptide repeat proteins, among which poly-proline-arginine (PR) displays the most aggressive neurotoxicity in-vitro and in-vivo . PR partitions to the nucleus when expressed in neurons and other cell types. Using drosophila and primary rat cortical neurons as model systems, we show that by lessening the nuclear accumulation of PR, we can drastically reduce its neurotoxicity. PR accumulates in the nucleolus, a site of ribosome biogenesis that regulates the cell stress response. We examined the effect of nucleolar PR accumulation and its impact on nucleolar function and determined that PR caused nucleolar stress and increased levels of the transcription factor p53. Downregulating p53 levels, either genetically or by increasing its degradation, also prevented PR-mediated neurotoxic phenotypes both in in-vitro and in-vivo models. We also investigated whether PR could cause the senescence phenotype in neurons but observed none. Instead, we found induction of apoptosis via caspase-3 activation. In summary, we uncovered the central role of nucleolar dysfunction upon PR expression in the context of C9-ALS/FTD.

Abstract The BAF chromatin remodeler regulates lineage commitment including cranial neural crest cell (CNCC) specification. Variants in BAF subunits cause Coffin-Siris Syndrome (CSS), a congenital disorder characterized by coarse craniofacial features and intellectual disability. Approximately 50% of CSS patients carry variants in one of the mutually exclusive BAF subunits, ARID1A/ARID1B . While Arid1a deletion in mouse neural crest causes severe craniofacial phenotypes, little is known about the role of ARID1A in CNCC specification. Using CSS patient-derived ARID1A +/- iPSCs to model CNCC specification, we discovered ARID1A -haploinsufficiency impairs epithelial to mesenchymal transition (EMT), a process necessary for CNCC delamination and migration from the neural tube. Furthermore, wild-type ARID1A-BAF regulates enhancers associated with EMT genes. ARID1A-BAF binding at these enhancers is impaired in heterozygotes while binding at promoters is unaffected. At the sequence level, these EMT enhancers contain binding motifs for ZIC2, and ZIC2 binding at these sites is ARID1A-dependent. When excluded from EMT enhancers, ZIC2 relocates to neuronal enhancers, triggering aberrant neuronal gene activation. In mice, deletion of Zic2 impairs NCC delamination, while ZIC2 overexpression in chick embryos at pre-migratory neural crest stages elicits ectopic delamination from the neural tube. These findings reveal a novel ARID1A-ZIC2 axis essential for EMT and CNCC delamination.

The most prevalent genetic cause of both amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia is a (GGGGCC)n nucleotide repeat expansion (NRE) occurring in the first intron of the C9orf72 gene (C9). Brain glucose hypometabolism is consistently observed in C9-NRE carriers, even at pre-symptomatic stages, although its potential role in disease pathogenesis is unknown. Here, we identified alterations in glucose metabolic pathways and ATP levels in the brain of asymptomatic C9-BAC mice. We found that, through activation of the GCN2 kinase, glucose hypometabolism drives the production of dipeptide repeat proteins (DPRs), impairs the survival of C9 patient-derived neurons, and triggers motor dysfunction in C9-BAC mice. We also found that one of the arginine-rich DPRs (PR) can directly contribute to glucose metabolism and metabolic stress. These findings provide a mechanistic link between energy imbalances and C9-ALS/FTD pathogenesis and support a feedforward loop model that opens several opportunities for therapeutic intervention.

Abstract Adult neurogenic decline, inflammation, and neurodegeneration are phenotypic hallmarks of Alzheimer’s disease (AD). Mobilization of transposable elements (TEs) in heterochromatic regions was recently reported in AD, but the underlying mechanisms are still underappreciated. Combining functional genomics with differentiation of familial and sporadic AD patient derived-iPSCs into hippocampal progenitors, CA3 neurons, and cerebral organoids, we found that upregulation of the AP-1 subunit c-JUN triggers decondensation of genomic regions containing TEs. This leads to cytoplasmic accumulation of TE-derived RNA-DNA hybrids, activation of the cGAS-STING cascade, and increased cleaved caspase-3 levels, suggesting initiation of programmed cell death in progenitor cells and neurons. Notably, inhibiting c-JUN effectively blocks all the downstream molecular processes and rescues neuronal death and impaired neurogenesis in the AD progenitors. Our findings open new avenues for identifying therapeutic strategies and biomarkers to counteract disease progression and diagnose AD in the early, pre-symptomatic stages.