Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder typically characterized by insoluble inclusions of hyperphosphorylated TDP-43. The mechanisms underlying toxic TDP-43 accumulation are not understood. Persistent activation of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) is implicated in ALS. However, it is unclear how p38 MAPK affects TDP-43 proteinopathy. Here, we demonstrate that inhibition of p38α MAPK reduces pathological TDP-43 phosphorylation, aggregation, cytoplasmic mislocalization, and neurotoxicity. We establish that p38α MAPK phosphorylates TDP-43 at pathological serine 409/410 (S409/S410) and serine 292 (S292), which reduces TDP-43 liquid-liquid phase separation (LLPS) but allows pathological TDP-43 aggregation. Moreover, we show that protein arginine methyltransferase 1 methylates TDP-43 at R293. Importantly, S292 phosphorylation reduces R293 methylation, and R293 methylation reduces S409/S410 phosphorylation. R293 methylation permits TDP-43 LLPS and reduces pathological TDP-43 aggregation. Thus, strategies to reduce p38α-mediated TDP-43 phosphorylation and promote R293 methylation could have therapeutic utility for ALS and related TDP-43 proteinopathies.

Summary Hsp104 is an AAA+ protein disaggregase that solubilizes and reactivates proteins trapped in aggregated states. We have engineered potentiated Hsp104 variants to mitigate toxic misfolding of α-synuclein, TDP-43, and FUS implicated in fatal neurodegenerative disorders. Though potent disaggregases, these enhanced Hsp104 variants lack substrate specificity, and can have unfavorable off-target effects. Here, to lessen off-target effects, we engineer substrate-specific Hsp104 variants. By altering Hsp104 pore loops that engage substrate, we disambiguate Hsp104 variants that selectively suppress α-synuclein toxicity but not TDP-43 or FUS toxicity. Remarkably, α-synuclein-specific Hsp104 variants emerge that mitigate α-synuclein toxicity via distinct ATPase-dependent mechanisms, involving α-synuclein disaggregation or detoxification of α-synuclein conformers without disaggregation. Importantly, both types of α-synuclein-specific Hsp104 variant reduce dopaminergic neurodegeneration in a C. elegans model of Parkinson’s disease more effectively than non-specific variants. We suggest that increasing the substrate specificity of enhanced disaggregases could be applied broadly to tailor therapeutics for neurodegenerative disease.

Summary The AAA+ protein, Skd3 (human CLPB ), solubilizes proteins in the mitochondrial intermembrane space, which is critical for human health. Skd3 variants with impaired protein-disaggregase activity cause severe congenital neutropenia (SCN) and 3-methylglutaconic aciduria type 7 (MGCA7). Yet how Skd3 disaggregates proteins remains poorly understood. Here, we report a high-resolution structure of a Skd3-substrate complex. Skd3 adopts a spiral hexameric arrangement that engages substrate via pore-loop interactions in the nucleotide-binding domain (NBD). Unexpectedly, substrate-bound Skd3 hexamers stack head-to-head via unique, adaptable ankyrin-repeat domain (ANK)-mediated interactions to form dodecamers. Deleting the ANK-linker region reduces dodecamerization and disaggregase activity. We elucidate apomorphic features of the Skd3 NBD and C-terminal domain that regulate disaggregase activity. We also define how Skd3 subunits collaborate to disaggregate proteins. Importantly, SCN-linked subunits sharply inhibit disaggregase activity, whereas MGCA7-linked subunits do not. Our findings illuminate Skd3 structure and mechanism, explain SCN and MGCA7 inheritance patterns, and suggest therapeutic strategies.

Abstract An intronic GGGGCC repeat expansion in C9orf72 is a common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. The repeats are transcribed in both sense and antisense directions to generate distinct dipeptide repeat proteins, of which poly(GA), poly(GR) and poly(PR) have been implicated in contributing to neurodegeneration. Poly(PR) binding to RNA may contribute to toxicity, but analysis of poly(PR)-RNA binding on a genome-wide scale has not yet been carried out. We therefore performed crosslinking and immunoprecipitation (CLIP) analysis in human cells to identify the RNA binding sites of poly(PR). We found that poly(PR) binds to nearly 600 RNAs, with the sequence GAAGA enriched at the binding sites. In vitro experiments showed that polyGAAGA RNA binds poly(PR) with higher affinity than control RNA and induces phase-separation of poly(PR) into condensates. These data indicate that poly(PR) preferentially binds to polyGAAGA-containing RNAs, which may have physiological consequences.

Chaperone proteins perform vital functions in the maintenance of cellular proteostasis and play important roles during the development of neurodegenerative diseases involving protein aggregation. We have previously reported that a secreted neuronal chaperone known as proSAAS exhibits potent chaperone activity in vitro against protein aggregation and blocks the cytotoxic effects of amyloid and α-synuclein oligomers. Here we report that overexpression of proSAAS generates dense, membraneless 2 μm spheres which can increase by fusion up to 4 μM during expression within the cytoplasm. The presence of dense proSAAS spheres was confirmed using electron microscopy. ProSAAS spheres selectively sequestered GFP-TDP-43216-414 within their cores, resulting in cellular redistribution and retardation of degradation. ProSAAS expression was protective against TDP-43 cytotoxicity in a yeast model system. Aggregate sequestration via proSAAS encapsulation may provide protection from cell-to-cell transmission of aggregates and explain the as-yet unclear mechanism underlying the cytoprotective chaperone action of proSAAS.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

The AAA+ protein disaggregase, Hsp104, increases fitness under stress by reversing stress-induced protein aggregation. We have engineered potentiated Hsp104 variants to antagonize proteotoxic misfolding linked to human neurodegenerative diseases. However, these Hsp104 variants can exhibit off-target toxicity, which may limit their therapeutic utility. Hsp104 is conserved among all nonmetazoan eukaryotes, which raises the possibility that natural variants might exist with enhanced, selective activity against neurodegenerative disease substrates. To assess this possibility, we screened a cross-kingdom collection of Hsp104 homologs in several yeast proteotoxicity models. We uncovered therapeutic genetic variation among several Hsp104 homologs that specifically antagonize TDP-43 or alpha-synuclein condensate formation and toxicity in yeast, human cells, and C. elegans. Surprisingly, this variation manifested as increased passive chaperone activity, distinct from disaggregase activity, which neutralizes proteotoxicity of specific substrates. Thus, by exploring natural tuning of passive chaperone activity we elucidated enhanced, substrate-specific agents to counter proteotoxicity underlying neurodegenerative disease.

Bacterial ClpB and yeast Hsp104 are homologous Hsp100 protein disaggregases that serve critical functions in proteostasis by solubilizing protein aggregates. Two AAA+ nucleotide binding domains (NBDs) power polypeptide translocation through a central channel comprised of a hexameric spiral of protomers that contact substrate via conserved pore-loop interactions. To elucidate the translocation mechanism, we determined the cryo-EM structure of a hyperactive ClpB variant to 2.9 angstrom resolution bound to the model substrate, casein in the presence of slowly hydrolysable ATPγS. Distinct substrate-gripping mechanisms are identified for NBD1 and NBD2 pore loops. A trimer of N-terminal domains define a channel entrance that binds the polypeptide substrate adjacent the topmost NBD1 contact. NBD conformations at the spiral seam reveal how ATP hydrolysis and substrate engagement or disengagement are precisely tuned to drive a stepwise translocation cycle.

Summary RNA-binding proteins with prion-like domains, such as FUS and TDP-43, condense into functional liquids, which can transform into pathological fibrils that underpin fatal neurodegenerative disorders, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS)/frontotemporal dementia (FTD). Here, we define short RNAs (24-48 nucleotides) that prevent FUS fibrillization by promoting liquid phases, and distinct short RNAs that prevent and, remarkably, reverse FUS condensation and fibrillization. These activities require interactions with multiple RNA-binding domains of FUS and are encoded by RNA sequence, length, and structure. Importantly, we define a short RNA that dissolves aberrant cytoplasmic FUS condensates, restores nuclear FUS, and mitigates FUS proteotoxicity in optogenetic models and human motor neurons. Another short RNA dissolves aberrant cytoplasmic TDP-43 condensates, restores nuclear TDP-43, and mitigates TDP-43 proteotoxicity. Since short RNAs can be effectively delivered to the human brain, these oligonucleotides could have therapeutic utility for ALS/FTD and related disorders.

Abstract Karyopherin-β2 (Kapβ2) is a nuclear-import receptor that recognizes proline-tyrosine nuclear localization signals (PY-NLSs) of diverse cytoplasmic cargo for transport to the nucleus. Kapβ2 cargo include several disease-linked RNA-binding proteins (RBPs) with prion-like domains (PrLDs), such as FUS, TAF15, EWSR1, hnRNPA1, and hnRNPA2. These RBPs with PrLDs are linked via pathology and genetics to debilitating degenerative disorders, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS), frontotemporal dementia (FTD), and multisystem proteinopathy (MSP). Remarkably, Kapβ2 prevents and reverses aberrant phase transitions of these cargo, which is cytoprotective. However, the molecular determinants of Kapβ2 that enable these activities remain poorly understood, particularly from the standpoint of nuclear-import receptor architecture. Kapβ2 is a superhelical protein comprised of 20 HEAT repeats. Here, we design truncated variants of Kapβ2 and assess their ability to antagonize FUS aggregation and toxicity in yeast and FUS condensation at the pure protein level and in human cells. We find that HEAT repeats 8-20 of Kapβ2 recapitulate all salient features of Kapβ2 activity. By contrast, Kapβ2 truncations lacking even a single cargo-binding HEAT repeat display reduced activity. Thus, we define a minimal Kapβ2 construct for delivery in adeno-associated viruses as a potential therapeutic for ALS/FTD, MSP, and related disorders.

Hsp70, Hsp40, and Hsp110 form a human protein-disaggregase system that solubilizes and reactivates proteins trapped in aggregated states. However, this system fails to maintain proteostasis in fatal neurodegenerative diseases. Here, we potentiate the human Hsp70-disaggregase system pharmacologically. By scouring a collection of dihydropyrimidines, we disambiguate a small molecule that specifically stimulates the Hsp70-disaggregase system against disordered aggregates and α-synuclein fibrils. The newly identified lead compound stimulates the disaggregase activity of multiple active human Hsp70, Hsp40, Hsp110 chaperone sets, with selectivity for combinations that include DnaJB1 or DnaJB4 as the Hsp40. We find that the relative stoichiometry of Hsp70, Hsp40, and Hsp110 dictates disaggregase activity. Remarkably, our lead compound shifts the composition of active chaperone stoichiometries by preferentially activating combinations with lower DnaJB1 concentrations. Our findings unveil a small molecule that stimulates the Hsp70-disaggregase system, even at suboptimal chaperone stoichiometries, which could be developed for the treatment of neurodegenerative diseases.