Abstract Objective Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a common, fatal motor neuron disorder with no effective treatment. Approximately 10% of cases are familial ALS (FALS), and the most common genetic abnormality is superoxide dismutase ‐ 1 ( SOD1 ) mutations. Most ALS research in the past decade has focused on the neurotoxicity of mutant SOD1, and this knowledge has directed therapeutic strategies. We recently identified TDP‐43 as the major pathological protein in sporadic ALS. In this study, we investigated TDP‐43 in a larger series of ALS cases (n = 111), including familial cases with and without SOD1 mutations. Methods Ubiquitin and TDP‐43 immunohistochemistry was performed on postmortem tissue from sporadic ALS (n = 59), ALS with SOD1 mutations (n = 15), SOD ‐ 1 –negative FALS (n = 11), and ALS with dementia (n = 26). Biochemical analysis was performed on representative cases from each group. Results All cases of sporadic ALS, ALS with dementia, and SOD1 ‐negative FALS had neuronal and glial inclusions that were immunoreactive for both ubiquitin and TDP‐43. Cases with SOD1 mutations had ubiquitin‐positive neuronal inclusions; however, no cases were immunoreactive for TDP‐43. Biochemical analysis of postmortem tissue from sporadic ALS and SOD1 ‐negative FALS demonstrated pathological forms of TDP‐43 that were absent in cases with SOD1 mutations. Interpretation These findings implicate pathological TDP‐43 in the pathogenesis of sporadic ALS. In contrast, the absence of pathological TDP‐43 in cases with SOD1 mutations implies that motor neuron degeneration in these cases may result from a different mechanism, and that cases with SOD1 mutations may not be the familial counterpart of sporadic ALS. Ann Neurol 2007;61:427–434

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating neurological disease with no effective treatment. We report the results of a moderate-scale sequencing study aimed at increasing the number of genes known to contribute to predisposition for ALS. We performed whole-exome sequencing of 2869 ALS patients and 6405 controls. Several known ALS genes were found to be associated, and TBK1 (the gene encoding TANK-binding kinase 1) was identified as an ALS gene. TBK1 is known to bind to and phosphorylate a number of proteins involved in innate immunity and autophagy, including optineurin (OPTN) and p62 (SQSTM1/sequestosome), both of which have also been implicated in ALS. These observations reveal a key role of the autophagic pathway in ALS and suggest specific targets for therapeutic intervention.

In this study, the authors compare the RNA binding patterns of FUS/TLS and TDP-43. Although these proteins regulate the processing of mostly distinct gene products, they do show concurrent regulation of a subset of neuronal transcripts that all have exceptionally long introns. FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma) and TDP-43 are integrally involved in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia. We found that FUS/TLS binds to RNAs from >5,500 genes in mouse and human brain, primarily through a GUGGU-binding motif. We identified a sawtooth-like binding pattern, consistent with co-transcriptional deposition of FUS/TLS. Depletion of FUS/TLS from the adult nervous system altered the levels or splicing of >950 mRNAs, most of which are distinct from RNAs dependent on TDP-43. Abundance of only 45 RNAs was reduced after depletion of either TDP-43 or FUS/TLS from mouse brain, but among these were mRNAs that were transcribed from genes with exceptionally long introns and that encode proteins that are essential for neuronal integrity. Expression levels of a subset of these were lowered after TDP-43 or FUS/TLS depletion in stem cell–derived human neurons and in TDP-43 aggregate–containing motor neurons in sporadic ALS, supporting a common loss-of-function pathway as one component underlying motor neuron death from misregulation of TDP-43 or FUS/TLS.

Antisense oligonucleotides can correct disease-specific phenotypes in cultured motor neurons differentiated from iPSCs derived from ALS patients with a C9ORF72 repeat expansion.

Background Minocycline has anti-apoptotic and anti-inflammatory effects in vitro, and extends survival in mouse models of some neurological conditions. Several trials are planned or are in progress to assess whether minocycline slows human neurodegeneration. We aimed to test the efficacy of minocycline as a treatment for amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Methods We did a multicentre, randomised placebo-controlled phase III trial. After a 4-month lead-in phase, 412 patients were randomly assigned to receive placebo or minocycline in escalating doses of up to 400 mg/day for 9 months. The primary outcome measure was the difference in rate of change in the revised ALS functional rating scale (ALSFRS-R). Secondary outcome measures were forced vital capacity (FVC), manual muscle testing (MMT), quality of life, survival, and safety. Analysis was by intention to treat. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT00047723. Findings ALSFRS-R score deterioration was faster in the minocycline group than in the placebo group (−1·30 vs −1·04 units/month, 95% CI for difference −0·44 to −0·08; p=0·005). Patients on minocycline also had non-significant tendencies towards faster decline in FVC (−3·48 vs −3·01, −1·03 to 0·11; p=0·11) and MMT score (−0·30 vs −0·26, −0·08 to 0·01; p=0·11), and greater mortality during the 9-month treatment phase (hazard ratio=1·32, 95% CI 0·83 to 2·10; p=0·23) than did patients on placebo. Quality-of-life scores did not differ between the treatment groups. Non-serious gastrointestinal and neurological adverse events were more common in the minocycline group than in the placebo group, but these events were not significantly related to the decline in ALSFRS-R score. Interpretation Our finding that minocycline has a harmful effect on patients with ALS has implications for trials of minocycline in patients with other neurological disorders, and for how potential neuroprotective agents are screened for use in patients with ALS.

Significance The most frequent genetic cause of ALS and frontotemporal degeneration is a hexanucleotide expansion in a noncoding region of the C9orf72 gene. Similar to other repeat expansion diseases, we characterize the hallmark feature of repeat expansion RNA-mediated toxicity: nuclear RNA foci. Remarkably, two distinct sets of foci are found, one containing RNAs transcribed in the sense direction and the other containing antisense RNAs. Antisense oligonucleotides (ASOs) are developed that selectively target sense strand repeat-containing RNAs and reduce sense-oriented foci without affecting overall C9orf72 expression. Importantly, reducing C9orf72 expression does not cause behavioral or pathological changes in mice and induces only a few genome-wide mRNA alterations. These findings establish ASO-mediated degradation of repeat-containing RNAs as a significant therapeutic approach.

Axonal pathology and necroptosis in ALS Necroptosis, a non–caspase-dependent form of cell death, can be reduced in disease states by inhibiting a kinase called RIPK1. Until now, no human mutations have been linked to necroptosis. Ito et al. show that loss of optineurin, which is encoded by a gene that has been implicated in the human neurodegenerative disorder ALS (amyotrophic lateral sclerosis), results in sensitivity to necroptosis and axonal degeneration. When RIPK1-kinase dependent signaling is disrupted in mice that lack optineurin, necroptosis is inhibited and axonal pathology is reversed. Science , this issue p. 603

Hexanucleotide expansions in C9ORF72 are the most frequent genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. Disease mechanisms were evaluated in mice expressing C9ORF72 RNAs with up to 450 GGGGCC repeats or with one or both C9orf72 alleles inactivated. Chronic 50% reduction of C9ORF72 did not provoke disease, while its absence produced splenomegaly, enlarged lymph nodes, and mild social interaction deficits, but not motor dysfunction. Hexanucleotide expansions caused age-, repeat-length-, and expression-level-dependent accumulation of RNA foci and dipeptide-repeat proteins synthesized by AUG-independent translation, accompanied by loss of hippocampal neurons, increased anxiety, and impaired cognitive function. Single-dose injection of antisense oligonucleotides (ASOs) that target repeat-containing RNAs but preserve levels of mRNAs encoding C9ORF72 produced sustained reductions in RNA foci and dipeptide-repeat proteins, and ameliorated behavioral deficits. These efforts identify gain of toxicity as a central disease mechanism caused by repeat-expanded C9ORF72 and establish the feasibility of ASO-mediated therapy.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are associated with loss of nuclear transactive response DNA-binding protein 43 (TDP-43). Here we identify that TDP-43 regulates expression of the neuronal growth-associated factor stathmin-2. Lowered TDP-43 levels, which reduce its binding to sites within the first intron of stathmin-2 pre-messenger RNA, uncover a cryptic polyadenylation site whose utilization produces a truncated, non-functional mRNA. Reduced stathmin-2 expression is found in neurons trans-differentiated from patient fibroblasts expressing an ALS-causing TDP-43 mutation, in motor cortex and spinal motor neurons from patients with sporadic ALS and familial ALS with GGGGCC repeat expansion in the C9orf72 gene, and in induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived motor neurons depleted of TDP-43. Remarkably, while reduction in TDP-43 is shown to inhibit axonal regeneration of iPSC-derived motor neurons, rescue of stathmin-2 expression restores axonal regenerative capacity. Thus, premature polyadenylation-mediated reduction in stathmin-2 is a hallmark of ALS–FTD that functionally links reduced nuclear TDP-43 function to enhanced neuronal vulnerability. The mRNA encoding stathmin-2, a protein implicated in axonal growth, is shown to be widely suppressed by premature polyadenylation in both sporadic and C9orf72 ALS through a mechanism directly dependent on loss of nuclear TDP-43 in motor neurons.

Tofersen is an antisense oligonucleotide that mediates the degradation of superoxide dismutase 1 (SOD1) messenger RNA to reduce SOD1 protein synthesis. Intrathecal administration of tofersen is being studied for the treatment of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) due to SOD1 mutations.We conducted a phase 1-2 ascending-dose trial evaluating tofersen in adults with ALS due to SOD1 mutations. In each dose cohort (20, 40, 60, or 100 mg), participants were randomly assigned in a 3:1 ratio to receive five doses of tofersen or placebo, administered intrathecally for 12 weeks. The primary outcomes were safety and pharmacokinetics. The secondary outcome was the change from baseline in the cerebrospinal fluid (CSF) SOD1 concentration at day 85. Clinical function and vital capacity were measured.A total of 50 participants underwent randomization and were included in the analyses; 48 participants received all five planned doses. Lumbar puncture-related adverse events were observed in most participants. Elevations in CSF white-cell count and protein were reported as adverse events in 4 and 5 participants, respectively, who received tofersen. Among participants who received tofersen, one died from pulmonary embolus on day 137, and one from respiratory failure on day 152; one participant in the placebo group died from respiratory failure on day 52. The difference at day 85 in the change from baseline in the CSF SOD1 concentration between the tofersen groups and the placebo group was 2 percentage points (95% confidence interval [CI], -18 to 27) for the 20-mg dose, -25 percentage points (95% CI, -40 to -5) for the 40-mg dose, -19 percentage points (95% CI, -35 to 2) for the 60-mg dose, and -33 percentage points (95% CI, -47 to -16) for the 100-mg dose.In adults with ALS due to SOD1 mutations, CSF SOD1 concentrations decreased at the highest concentration of tofersen administered intrathecally over a period of 12 weeks. CSF pleocytosis occurred in some participants receiving tofersen. Lumbar puncture-related adverse events were observed in most participants. (Funded by Biogen; ClinicalTrials.gov number, NCT02623699; EudraCT number, 2015-004098-33.).