Abstract In higher eukaryotes, tRNA methyltransferase 10A (TRMT10A) is responsible for N1-methylguanosine modification at position nine of various cytoplasmic tRNAs. Pathogenic mutations in TRMT10A cause intellectual disability, microcephaly, diabetes, and short stature in humans, and generate cytotoxic tRNA fragments in cultured cells; however, it is not clear how TRMT10A supports codon translation or brain functions. Here, we generated Trmt10a null mice and showed that tRNAGln(CUG) and initiator methionine tRNA levels were universally decreased in various tissues; the same was true in a human cell line lacking TRMT10A. Ribosome profiling of mouse brain revealed that dysfunction of TRMT10A causes ribosome slowdown at the Gln(CAG) codon and increases translation of Atf4 due to higher frequency of leaky scanning of its upstream open reading frames. Broadly speaking, translation of a subset of mRNAs, especially those for neuronal structures, is perturbed in the mutant brain. Despite not showing discernable defects in the pancreas, liver, or kidney, Trmt10a null mice showed lower body weight and smaller hippocampal postsynaptic densities, which is associated with defective synaptic plasticity and memory. Taken together, our study provides mechanistic insight into the roles of TRMT10A in the brain, and exemplifies the importance of universal tRNA modification during translation of specific codons.

Abstract Short tandem repeats are highly unstable, depending on repeat length, and the expansion of the repeat length in the human genome is responsible for repeat expansion disorders. Pentanucleotide AAGGG and ACAGG repeat expansions in intron 2 of the gene encoding replication factor C subunit 1 ( RFC1 ) cause cerebellar ataxia, neuropathy, vestibular areflexia syndrome (CANVAS) and other phenotypes of late-onset cerebellar ataxia. Herein, we reveal the structural polymorphism of the RFC1 repeat sequences associated with CANVAS in vitro . Single-stranded AAGGG repeat DNA formed a hybrid-type G-quadruplex, whereas its RNA formed a parallel-type G-quadruplex with three layers. The RNA of the ACAGG repeat sequence formed double helical hairpin structures comprising C-G and G-C base pairs with A:A and GA:AG mismatched repeats. Furthermore, both pathogenic repeat RNAs formed more rigid structures than those of the non-pathogenic sequences. These findings provide novel insights into the structural polymorphism of the RFC1 repeat sequences, which may be closely related to the disease mechanism of CANVAS.

Abstract Tau aggregation is a defining feature of neurodegenerative tauopathies, including Alzheimer’s disease, corticobasal degeneration, and frontotemporal dementia. This aggregation involves the liquid–liquid phase separation (LLPS) of Tau, followed by its sol–gel phase transition, representing a crucial step in aggregate formation both in vitro and in vivo . However, the precise cofactors influencing Tau phase transition and aggregation under physiological conditions (e.g., ion concentration and temperature) remain unclear. In this study, we unveil that nucleic acid secondary structures, specifically RNA G-quadruplexes (rG4s), and calcium ions (Ca 2+ ) synergistically facilitated the sol–gel phase transition of human Tau under mimic intracellular ion conditions (140 mM KCl, 15 mM NaCl, and 10 mM MgCl 2 ) at 37□ in vitro . In the presence of molecular crowding reagents, Tau formed stable liquid droplets through LLPS, maintaining fluidity for 24 h under physiological conditions. Notably, cell-derived RNA promoted Tau sol–gel phase transition, with G4-forming RNA emerging as a crucial factor. Surprisingly, polyanion heparin did not elicit a similar response, indicating a distinct mechanism not rooted in electrostatic interactions. Further exploration underscored the significance of Ca 2+ , which accumulate intracellularly during neurodegeneration, as additional cofactors in promoting Tau phase transition after 24 h. Importantly, our findings demonstrate that rG4s and Ca 2+ synergistically enhance Tau phase transition within 1 h when introduced to Tau droplets. In conclusion, our study illuminates the pivotal roles of rG4s and Ca 2+ in promoting Tau aggregation under physiological conditions in vitro , offering insights into potential triggers for tauopathy.

Abstract Synucleinopathies, including Parkinson’s disease, dementia with Lewy bodies, and multiple system atrophy, are triggered by the aggregation of α-synuclein, leading to progressive neurodegeneration 1,2,3,4,5,6,7,8 . However, the intracellular mechanism of α-synuclein aggregation remains unclear. Here we show that assembly of RNA G-quadruplexes forming scaffolds for α-synuclein aggregation, contributing to neurodegeneration. Purified α-synuclein binds RNA G-quadruplexes directly through the N-terminus. RNA G-quadruplex itself undergoes phase separation and assembly by Ca 2+ , accelerating the sol–gel phase transition of α-synuclein. In α-synuclein preformed fibrils-treated neurons, RNA G-quadruplexes assembly composed of synaptic mRNAs co-aggregates with α-synuclein upon Ca 2+ excess influx into cytoplasm, eliciting synaptic dysfunction. Forced assembly of RNA G-quadruplexes using an optogenetic approach evokes α-synuclein aggregation, neuronal dysfunction and neurodegeneration. Administration of 5-aminolevulinic acid, a prodrug of protoporphyrin IX that prevents phase separation of RNA G-quadruplexes 9 , attenuating α-synuclein aggregation, neurodegeneration, and progressive motor deficits in α-synuclein preformed fibrils-injected synucleinopathy mice. Together, assembly of RNA G-quadruplexes due to dysregulation of intracellular Ca 2+ homeostasis accelerates α-synuclein phase transition and aggregation may contribute to pathogenesis of synucleinopathies.