C9orf72 mutations are the most common cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. With unbiased screens in Saccharomyces cerevisiae, Jovicic et al. identified potent modifiers of toxicity of dipeptide repeat proteins produced by unconventional translation of the C9orf72 repeat expansions, pointing to nucleocytoplasmic transport impairments as potential disease mechanisms. C9orf72 mutations are the most common cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Dipeptide repeat proteins (DPRs) produced by unconventional translation of the C9orf72 repeat expansions cause neurodegeneration in cell culture and in animal models. We performed two unbiased screens in Saccharomyces cerevisiae and identified potent modifiers of DPR toxicity, including karyopherins and effectors of Ran-mediated nucleocytoplasmic transport, providing insight into potential disease mechanisms and therapeutic targets.

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.

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.

The RNA binding proteins Rbfox1/2/3 regulate alternative splicing in the nervous system, and disruption of Rbfox1 has been implicated in autism. However, comprehensive identification of functional Rbfox targets has been challenging. Here, we perform HITS-CLIP for all three Rbfox family members in order to globally map, at a single-nucleotide resolution, their in vivo RNA interaction sites in the mouse brain. We find that the two guanines in the Rbfox binding motif UGCAUG are critical for protein-RNA interactions and crosslinking. Using integrative modeling, these interaction sites, combined with additional datasets, define 1,059 direct Rbfox target alternative splicing events. Over half of the quantifiable targets show dynamic changes during brain development. Of particular interest are 111 events from 48 candidate autism-susceptibility genes, including syndromic autism genes Shank3, Cacna1c, and Tsc2. Alteration of Rbfox targets in some autistic brains is correlated with downregulation of all three Rbfox proteins, supporting the potential clinical relevance of the splicing-regulatory network.

Abstract Precise and reliable cell-specific gene delivery remains technically challenging. Here we report a splicing-based approach for controlling gene expression whereby separate translational reading frames are coupled to the inclusion or exclusion of cell-specific alternative exons. Candidate exons are identified by analyzing thousands of publicly available RNA sequencing datasets and filtering by cell specificity, sequence conservation, and local intron length. This method, which we denote splicing-linked expression design (SLED), can be combined in a Boolean manner with existing techniques such as minipromoters and viral capsids. SLED vectors can leverage the strong expression of constitutive promoters, without sacrificing precision, by decoupling the tradeoff between promoter strength and selectivity. We generated SLED vectors to selectively target all neurons, photoreceptors, or excitatory neurons, and demonstrated that specificity was retained in vivo when delivered using AAVs. We further demonstrated the utility of SLED by creating what would otherwise be unobtainable research tools, specifically a GluA2 flip/flop reporter and a dual excitatory/inhibitory neuronal calcium indicator. Finally, we show the translational potential of SLED by rescuing photoreceptor degeneration in Prph2 rds/rds mice and by developing an oncolytic vector that can selectively induce apoptosis in SF3B1 mutant cancer cells. The flexibility of SLED technology enables new avenues for basic and translational research.

Cytoplasmic inclusions and loss of nuclear TDP-43 are key pathological features found in several neurodegenerative disorders, suggesting both gain- and loss-of-function mechanisms of disease. To study gain-of-function, TDP-43 overexpression has been used to generate in vitro and in vivo model systems. Our study shows that excessive levels of nuclear TDP-43 protein lead to constitutive exon skipping that is largely species-specific. Furthermore, while aberrant exon skipping is detected in some human brains, it is not correlated with disease, unlike the incorporation of cryptic exons that occurs after loss of TDP-43. Our findings emphasize the need for caution in interpreting TDP-43 overexpression data, and stress the importance of controlling for exon skipping when generating models of TDP-43 proteinopathy. Understanding the subtle aspects of TDP-43 toxicity within different subcellular locations is essential for the development of therapies targeting neurodegenerative disease.

ABSTRACT Intellectual disability (ID) affects ∼2% of the general population and is often genetic in origin. ID-associated genes are enriched for epigenetic factors, including those encoding the largest family of histone lysine acetyltransferases (KAT5-KAT8). Among them is KAT6A , whose de novo heterozygous mutations cause KAT6A Syndrome (or Arboleda-Tham Syndrome), with ID as a common clinical feature. However, the underlying molecular mechanisms remain elusive. Here, we show that haploinsufficiency of Kat6a impairs learning and memory in mice, and specific deletion of Kat6a in excitatory neurons recapitulates the hippocampus-dependent memory deficits. Unexpectedly, KAT6A deficiency results in impaired synaptic structure and plasticity in hippocampal CA3, but not in CA1 region. Combining single-nucleus RNA-sequencing and chromatin analysis, we identify a CA3-enriched gene Rspo2 , encoding a Wnt activator R-spondin 2, as a key transcriptional target of KAT6A. Moreover, deletion of Rspo2 in excitatory neurons phenocopies the loss of Kat6a , resulting in defective Wnt/β-catenin signaling and synaptic plasticity in CA3, and abnormal cognitive behaviors in mice. Importantly, restoring RSPO2 expression in CA3 pyramidal neurons rescues the deficits in Wnt signaling and learning-associated behaviors in Kat6a mutant mice. Collectively, our results demonstrate that KAT6A plays a critical role in regulating synaptic plasticity and memory formation through RSPO2-mediated Wnt signaling in hippocampal CA3, shedding new light on the fundamental mechanisms of ID and providing potential therapeutic targets for the treatment of KAT6A Syndrome and related neurodevelopmental diseases.

TDP-43 proteinopathy, initially disclosed in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), coexists with tauopathy in a variety of neurodegenerative disorders, termed multiple etiology dementias (MEDs), including Alzheimers Disease (AD). While such co-pathology of TDP-43 is strongly associated with worsened neurodegeneration and steeper cognitive decline, the pathogenic mechanism underlying the exacerbated neuron loss remains elusive. The loss of TDP-43 splicing repression that occurs in presymptomatic ALS-FTD individuals suggests that such early loss could facilitate the pathological conversion of tau to accelerate neuron loss. Here, we report that the loss of TDP-43 repression of cryptic exons in forebrain neurons (CaMKII-CreER;Tardbpf/f mice) is necessary to exacerbate tauopathy-dependent brain atrophy by sensitizing vulnerable neurons to caspase 3-dependent cleavage of endogenous tau to promote tauopathy. Corroborating this finding within the human context, we demonstrate that loss of TDP-43 function in iPSC-derived cortical neurons promotes early cryptic exon inclusion and subsequent caspase 3-mediated endoproteolysis of tau. Using a genetic approach to seed tauopathy in CaMKII-CreER;Tardbpf/f mice by expressing a four-repeat microtubule binding domain of human tau, we show that the amount of tau seed positively correlates with levels of caspase 3-cleaved tau. Importantly, we found that the vulnerability of hippocampal neurons to TDP-43 depletion is dependent on the amount of caspase 3-cleaved tau: from most vulnerable neurons in the CA2/3, followed by those in the dentate gyrus, to the least in CA1. Taken together, our findings strongly support the view that TDP-43 loss-of-function exacerbates tauopathy-dependent brain atrophy by increasing the sensitivity of vulnerable neurons to caspase 3-mediated endoproteolysis of tau, resulting in a greater degree of neurodegeneration in human disorders with co-pathologies of tau and TDP-43. Our work thus discloses novel mechanistic insights and therapeutic targets for human tauopathies harboring co-pathology of TDP-43 and provides a new MED model for testing therapeutic strategies.

Expansion of an intronic (GGGGCC)n repeat within the C9ORF72 gene is the most common genetic cause of both frontotemporal dementia (FTD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (C9-FTD/ALS), characterized with aberrant repeat RNA foci and noncanonical translation-produced dipeptide repeat (DPR) protein inclusions. Here, we elucidate that the (GGGGCC)n repeat RNA co-localizes with nuclear speckles and alters their phase separation properties and granule dynamics. Moreover, the essential nuclear speckle scaffold protein SRRM2 is sequestered into the poly-GR cytoplasmic inclusions in the C9-FTD/ALS mouse model and patient postmortem tissues, exacerbating the nuclear speckle dysfunction. Impaired nuclear speckle integrity induces global exon skipping and intron retention in human iPSC-derived neurons and causes neuronal toxicity. Similar alternative splicing changes can be found in C9-FTD/ALS patient postmortem tissues. This work identified novel molecular mechanisms of global RNA splicing defects caused by impaired nuclear speckle function in C9-FTD/ALS and revealed novel potential biomarkers or therapeutic targets.

Aggregation of RNA binding proteins and dysregulation of RNA metabolism drives pathogenesis of multiple neurodegenerative diseases. In this issue of Neuron, Belur et al.