Human cellular models of neurodegeneration require reproducibility and longevity, which is necessary for simulating these age-dependent diseases. Such systems are particularly needed for TDP-43 proteinopathies 1,2 , which involve human-specific mechanisms 3–6 that cannot be directly studied in animal models. To explore the emergence and consequences of TDP-43 pathologies, we generated iPSC-derived, colony morphology neural stem cells (iCoMoNSCs) via manual selection of neural precursors 7 . Single-cell transcriptomics (scRNA-seq) and comparison to independent NSCs 8 , showed that iCoMoNSCs are uniquely homogenous and self-renewing. Differentiated iCoMoNSCs formed a self-organized multicellular system consisting of synaptically connected and electrophysiologically active neurons, which matured into long-lived functional networks. Neuronal and glial maturation in iCoMoNSC-derived cultures was similar to that of cortical organoids 9 . Overexpression of wild-type TDP-43 in a minority of iCoMoNSC-derived neurons led to progressive fragmentation and aggregation, resulting in loss of function and neurotoxicity. scRNA-seq revealed a novel set of misregulated RNA targets coinciding in both TDP-43 overexpressing neurons and patient brains exhibiting loss of nuclear TDP-43. The strongest misregulated target encoded for the synaptic protein NPTX2, which was consistently misaccumulated in ALS and FTLD patient neurons with TDP-43 pathology. Our work directly links TDP-43 misregulation and NPTX2 accumulation, thereby highlighting a new pathway of neurotoxicity.

Abstract Aggregation of the RNA-binding protein TDP-43 is the main common neuropathological feature of TDP-43 proteinopathies. In physiological conditions, TDP-43 is predominantly nuclear and contained in biomolecular condensates formed via liquid-liquid phase separation (LLPS). However, in disease, TDP-43 is depleted from these compartments and forms cytoplasmic or, sometimes, intranuclear inclusions. How TDP-43 transitions from physiological to pathological states remains poorly understood. Here, we show that self-oligomerization and RNA binding cooperatively govern TDP-43 stability, functionality, LLPS and cellular localization. Importantly, our data reveal that TDP-43 oligomerization is connected to, and conformationally modulated by, RNA binding. Mimicking the impaired proteasomal activity observed in patients, we found that TDP-43 forms nuclear aggregates via LLPS and cytoplasmic aggregates via aggresome formation. The favored aggregation pathway depended on the TDP-43 state –monomeric/oligomeric, RNA-bound/-unbound– and the subcellular environment –nucleus/cytoplasm. Our work unravels the origins of heterogeneous pathological species occurring in TDP-43 proteinopathies.

Human cellular models of neurodegeneration require reproducibility and longevity, which is necessary for simulating age-dependent diseases. Such systems are particularly needed for TDP-43 proteinopathies1, which involve human-specific mechanisms2-5 that cannot be directly studied in animal models. Here, to explore the emergence and consequences of TDP-43 pathologies, we generated induced pluripotent stem cell-derived, colony morphology neural stem cells (iCoMoNSCs) via manual selection of neural precursors6. Single-cell transcriptomics and comparison to independent neural stem cells7 showed that iCoMoNSCs are uniquely homogenous and self-renewing. Differentiated iCoMoNSCs formed a self-organized multicellular system consisting of synaptically connected and electrophysiologically active neurons, which matured into long-lived functional networks (which we designate iNets). Neuronal and glial maturation in iNets was similar to that of cortical organoids8. Overexpression of wild-type TDP-43 in a minority of neurons within iNets led to progressive fragmentation and aggregation of the protein, resulting in a partial loss of function and neurotoxicity. Single-cell transcriptomics revealed a novel set of misregulated RNA targets in TDP-43-overexpressing neurons and in patients with TDP-43 proteinopathies exhibiting a loss of nuclear TDP-43. The strongest misregulated target encoded the synaptic protein NPTX2, the levels of which are controlled by TDP-43 binding on its 3' untranslated region. When NPTX2 was overexpressed in iNets, it exhibited neurotoxicity, whereas correcting NPTX2 misregulation partially rescued neurons from TDP-43-induced neurodegeneration. Notably, NPTX2 was consistently misaccumulated in neurons from patients with amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal lobar degeneration with TDP-43 pathology. Our work directly links TDP-43 misregulation and NPTX2 accumulation, thereby revealing a TDP-43-dependent pathway of neurotoxicity.

Abstract FUS is a primarily nuclear RNA-binding protein with important roles in RNA processing and transport. FUS mutations disrupting its nuclear localization characterize a subset of amyotrophic lateral sclerosis (ALS-FUS) patients, through an unidentified pathological mechanism. FUS regulates nuclear RNAs, but its role at the synapse is poorly understood. Here, we used super-resolution imaging to determine the physiological localization of extranuclear, neuronal FUS and found it predominantly near the vesicle reserve pool of presynaptic sites. Using CLIP-seq on synaptoneurosome preparations, we identified synaptic RNA targets of FUS that are associated with synapse organization and plasticity. Synaptic FUS was significantly increased in a knock-in mouse model of ALS-FUS, at presymptomatic stages, accompanied by alterations in density and size of GABAergic synapses. RNA-seq of synaptoneurosomes highlighted age-dependent dysregulation of glutamatergic and GABAergic synapses. Our study indicates that FUS accumulation at the synapse in early stages of ALS-FUS results in synaptic impairment, potentially representing an initial trigger of neurodegeneration.

Abstract A defining characteristic of mammalian prions is their capacity for self-sustained propagation. Theoretical considerations and experimental evidence suggest that prion propagation is modulated by cell-autonomous and non-autonomous modifiers. Using a novel quantitative phospholipase protection assay (QUIPPER) for high-throughput prion measurements, we performed an arrayed genome-wide RNA interference (RNAi) screen aimed at detecting modifiers of prion propagation. We exposed prion-infected cells in high-density microplates to 35’364 ternary pools of 52’746 siRNAs targeting 17’582 genes representing the mouse protein-coding transcriptome. We identified 1191 modulators of prion propagation. While 1151 of these modified the expression of both the pathological prion protein, PrP Sc , and its cellular counterpart PrP C , 40 genes affected selectively PrP Sc . Of the latter, 20 genes augmented prion production when suppressed. A prominent limiter of prion propagation was the heterogeneous nuclear ribonucleoprotein Hnrnpk. Psammaplysene A (PSA), which binds Hnrnpk, reduced prion levels in cultured cells and protected them from cytotoxicity. PSA also reduced prion levels in infected cerebellar organotypic slices and alleviated locomotor deficits in prion-infected Drosophila melanogaster expressing ovine PrP C . Hence, genome-wide QUIPPER-based perturbations can discover actionable cellular pathways involved in prion propagation. Finally, the unexpected identification of a prioncontrolling ribonucleoprotein suggests a role for RNA in the generation of infectious prions.

Abstract Hexanucleotide G 4 C 2 repeat expansions in the C9ORF72 gene are the most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Dipeptide repeat proteins (DPRs) generated by translation of repeat-containing RNAs show toxic effects in vivo as well as in vitro and are key targets for therapeutic intervention. We generated human antibodies that bind DPRs with high affinity and specificity. Anti-GA antibodies engaged extra- and intracellular poly-GA and reduced aggregate formation in a poly-GA over-expressing human cell line. However, antibody treatment in human neuronal cultures synthesizing exogenous poly-GA resulted in the formation of large extracellular immune complexes and did not affect accumulation of intracellular poly-GA aggregates. Treatment with antibodies was also shown to directly alter the morphological and biochemical properties of poly-GA and to shift poly-GA/antibody complexes to more rapidly sedimenting ones. These alterations were not observed with poly-GP and have important implications for accurate measurement of poly-GA levels including the need to evaluate all centrifugation fractions and disrupt the interaction between treatment antibodies and poly-GA by denaturation. Targeting poly-GA and poly-GP in two mouse models expressing G 4 C 2 repeats by systemic antibody delivery for up to 16 months was well-tolerated and led to measurable brain penetration of antibodies. Long term treatment with anti-GA antibodies produced improvement in an open field movement test in aged C9ORF72 450 mice. However, chronic administration of anti-GA antibodies in AAV-(G 4 C 2 ) 149 mice was associated with increased levels of poly-GA detected by immunoassay and did not significantly reduce poly-GA aggregates or alleviate disease progression in this model. Significance Immunotherapy has been proposed for neurodegenerative disorders including Alzheimer’s or Parkinson’s diseases. Recent reports using antibodies against poly-GA or active immunization suggested similar immunotherapy in ALS/FTD caused by repeat expansion in the C9ORF72 gene (1, 2). Here, we systematically characterized human antibodies against multiple DPR species and tested the biological effects of antibodies targeting poly-GA in different cellular and mouse models. Target engagement was shown in three independent cellular models. Anti-GA antibodies reduced the number of intracellular poly-GA aggregates in human T98G cells but not in cultured human neurons. Whereas chronic anti-GA treatment in BAC C9ORF72 450 mice did not impact poly-GA levels and modestly improved one behavioral phenotype, poly-GA levels detected by immunoassays were increased and disease progression was unaltered in AAV-(G 4 C 2 ) 149 mice.

Abstract While the initial pathology of Parkinson’s disease and other α-synucleinopathies is often confined to circumscribed brain regions, it can spread and progressively affect adjacent and distant brain locales. This process may be controlled by cellular receptors of α-synuclein fibrils, one of which was proposed to be the LAG3 immune checkpoint molecule. Here, we analyzed the expression pattern of LAG3 in human and mouse brains. Using a variety of methods and model systems, we found no evidence for LAG3 expression by neurons. While we confirmed that LAG3 interacts with α-synuclein fibrils, the specificity of this interaction appears limited. Moreover, overexpression of LAG3 in cultured human neural cells did not cause any worsening of α-synuclein pathology ex vivo. The overall survival of A53T α-synuclein transgenic mice was unaffected by LAG3 depletion and the seeded induction of α-synuclein lesions in hippocampal slice cultures was unaffected by LAG3 knockout. These data suggest that the proposed role of LAG3 in the spreading of α-synucleinopathies is not universally valid.