Significance Prions are proteins that assume alternate shapes that become self-propagating, and while some prions perform normal physiological functions, others cause disease. Prions were discovered while studying the cause of rare neurodegenerative diseases of animals and humans called scrapie and Creutzfeldt–Jakob disease, respectively. We report here the discovery of α-synuclein prions that cause a more common neurodegenerative disease in humans called multiple system atrophy (MSA). In contrast to MSA, brain extracts from Parkinson’s disease (PD) patients were not transmissible to genetically engineered cells or mice, although much evidence argues that PD is also caused by α-synuclein, suggesting that this strain (or variant) is different from those that cause MSA.

The findings that amyotrophic lateral sclerosis (ALS) patients almost universally display pathological mislocalization of the RNA-binding protein TDP-43 and that mutations in its gene cause familial ALS have nominated altered RNA metabolism as a disease mechanism. However, the RNAs regulated by TDP-43 in motor neurons and their connection to neuropathy remain to be identified. Here we report transcripts whose abundances in human motor neurons are sensitive to TDP-43 depletion. Notably, expression of STMN2, which encodes a microtubule regulator, declined after TDP-43 knockdown and TDP-43 mislocalization as well as in patient-specific motor neurons and postmortem patient spinal cord. STMN2 loss upon reduced TDP-43 function was due to altered splicing, which is functionally important, as we show STMN2 is necessary for normal axonal outgrowth and regeneration. Notably, post-translational stabilization of STMN2 rescued neurite outgrowth and axon regeneration deficits induced by TDP-43 depletion. We propose that restoring STMN2 expression warrants examination as a therapeutic strategy for ALS.

The ATR (ATM and Rad3-related) kinase and its regulatory partner ATRIP (ATR-interacting protein) coordinate checkpoint responses to DNA damage and replication stress. TopBP1 functions as a general activator of ATR. However, the mechanism by which TopBP1 activates ATR is unknown. Here, we show that ATRIP contains a TopBP1-interacting region that is necessary for the association of TopBP1 and ATR, for TopBP1-mediated activation of ATR, and for cells to survive and recover DNA synthesis following replication stress. We demonstrate that this region is functionally conserved in the Saccharomyces cerevisiae ATRIP ortholog Ddc2, suggesting a conserved mechanism of regulation. In addition, we identify a domain of ATR that is critical for its activation by TopBP1. Mutations of the ATR PRD (PIKK [phosphoinositide 3-kinase related kinase] Regulatory Domain) do not affect the basal kinase activity of ATR but prevent its activation. Cellular complementation experiments demonstrate that TopBP1-mediated ATR activation is required for checkpoint signaling and cellular viability. The PRDs of ATM and mTOR (mammalian target of rapamycin) were shown previously to regulate the activities of these kinases, and our data indicate that the DNA-PKcs (DNA-dependent protein kinase catalytic subunit) PRD is important for DNA-PKcs regulation. Therefore, divergent amino acid sequences within the PRD and a unique protein partner allow each of these PIK kinases to respond to distinct cellular events.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by motor neuron loss accompanied by cytoplasmic localization of TDP-43 proteins and their insoluble accumulations. Haploinsufficiency of TBK1 has been found to associate with or cause ALS. However, the cell-autonomous mechanisms by which reduced TBK1 activity contributes to human motor neuron pathology remain elusive. Here, we generated a human cellular model harboring loss-of-function mutations of TBK1 by gene editing and found that TBK1 deficiency was sufficient to cause TDP-43 pathology in human motor neurons. In addition to its functions in autophagy, we found that TBK1 interacted with endosomes and was required for normal endosomal maturation and subsequent lysosomal acidification. Surprisingly, TDP-43 pathology resulted more from the dysfunctional endo-lysosomal pathway than the previously recognized autophagy inhibition mechanism. Restoring TBK1 levels ameliorated lysosomal dysfunction and TDP-43 pathology and maintained normal motor neuron homeostasis. Notably, using patient-derived motor neurons, we found that haploinsufficiency of TBK1 sensitized neurons to lysosomal stress, and chemical regulators of endosomal maturation rescued the neurodegenerative process. Together, our results revealed the mechanism of TBK1 in maintaining TDP-43 and motor neuron homeostasis and suggested that modulating endosomal maturation was able to rescue neurodegenerative disease phenotypes caused by TBK1 deficiency.

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder characterised by a progressive loss of motor function. The eponymous spinal sclerosis observed at autopsy is the result of the degeneration of extratelencephalic neurons, Betz cells (ETNs, Cortico-Spinal Motor Neuron). It remains unclear why this neuronal subtype is selectively affected. To understand the unique molecular properties that sensitise these cells to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In unaffected individuals, we found that expression of ALS risk genes was significantly enriched in THY1 + -ETNs and not in other cell types. In patients, these genetic risk factors, as well as genes involved in protein homeostasis and stress responses, were significantly induced in a wide collection of ETNs, but not in neurons with more superficial identities. Examination of oligodendroglial and microglial nuclei revealed patient-specific changes that were at least in part a response to alterations in neurons: downregulation of myelinating genes in oligodendrocytes and upregulation of a reactive state connected to endo-lysosomal pathways in microglia. Our findings suggest that the selective vulnerability of extratelencephalic neurons is partly connected to their intrinsic molecular properties sensitising them to genetics and mechanisms of degeneration. Graphical abstract and working model Our study highlights cell type specific changes in premotor/motor cortex of sporadic ALS patients. Specifically, we identify upregulation of synaptic molecules in excitatory neurons of upper cortical layers, interestingly correlating to hyperexcitability phenotypes seen in patients. Moreover, excitatory neurons of the deeper layers of the cortex, that project to the spinal cord and are most affected by the disease, show higher levels of cellular stresses than other neuronal types. Correspondently, oligodendrocytes transition from a highly myelinating state to a more neuronally engaged state, probably to counteract stressed phenotypes seen in excitatory neurons. At the same time, microglia show a reactive state with specific upregulation of endo-lysosomal pathways.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive loss of motor function linked to degenerating extratelencephalic neurons/Betz cells (ETNs). The reasons why these neurons are selectively affected remain unclear. Here, to understand the unique molecular properties that may sensitize ETNs to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In both patients and unaffected individuals, we found significantly higher expression of ALS risk genes in THY1

To discover novel genetic risk factors underlying amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we aggregated exomes from 3,864 cases and 7,839 ancestry matched controls. We observed a significant excess of ultra-rare and rare protein-truncating variants (PTV) among ALS cases, which was primarily concentrated in constrained genes; however, a significant enrichment in PTVs does persist in the remaining exome. Through gene level analyses, known ALS genes, SOD1, NEK1, and FUS, were the most strongly associated with disease status. We also observed suggestive statistical evidence for multiple novel genes including DNAJC7, which is a highly constrained gene and a member of the heat shock protein family (HSP40). HSP40 proteins, along with HSP70 proteins, facilitate protein homeostasis, such as folding of newly synthesized polypeptides, and clearance of degraded proteins. When these processes are not regulated, misfolding and accumulation of degraded proteins can occur leading to aberrant protein aggregation, one of the pathological hallmarks of neurodegeneration.

Aggregation of microtubule-associated protein tau (MAPT/tau) into conformationally distinct fibrils underpins neurodegenerative tauopathies. Fluorescent probes (fluoroprobes), such as thioflavin T (ThT), have been essential tools for studying tau aggregation; however, most of them do not discriminate between amyloid fibril conformations (polymorphs). This gap is due, in part, to a lack of high-throughput methods for screening large, diverse chemical collections. Here, we leverage advances in protein adaptive differential scanning fluorimetry (paDSF) to screen the Aurora collection of 300+ fluorescent dyes against multiple synthetic tau fibril polymorphs. This screen, coupled with orthogonal secondary assays, revealed pan-fibril binding chemotypes, as well as fluoroprobes selective for subsets of fibrils. One fluoroprobe recognized tau pathology in

Microtubule-associated protein tau (MAPT/tau) accumulates in a family of neurodegenerative diseases, including Alzheimer's disease (AD). In disease, tau is aberrantly modified by post-translational modifications (PTMs), including hyper-phosphorylation. However, it is often unclear which of these PTMs contribute to tau's accumulation or what mechanisms might be involved. To explore these questions, we focused on a cleaved proteoform of tau (tauC3), which selectively accumulates in AD and was recently shown to be degraded by its direct binding to the E3 ubiquitin ligase, CHIP. Here, we find that phosphorylation of tauC3 at a single residue, pS416, is sufficient to block its interaction with CHIP. A co-crystal structure of CHIP bound to the C-terminus of tauC3 revealed the mechanism of this clash and allowed design of a mutation (CHIPD134A) that partially restores binding and turnover of pS416 tauC3. We find that pS416 is produced by the known AD-associated kinase, MARK2/Par-1b, providing a potential link to disease. In further support of this idea, an antibody against pS416 co-localizes with tauC3 in degenerative neurons within the hippocampus of AD patients. Together, these studies suggest a discrete molecular mechanism for how phosphorylation at a specific site contributes to accumulation of an important tau proteoform.