Three glutamate transporters have been identified in rat, including astroglial transporters GLAST and GLT-1 and a neuronal transporter EAAC1. Here we demonstrate that inhibition of the synthesis of each glutamate transporter subtype using chronic antisense oligonucleotide administration, in vitro and in vivo, selectively and specifically reduced the protein expression and function of glutamate transporters. The loss of glial glutamate transporters GLAST or GLT-1 produced elevated extracellular glutamate levels, neurodegeneration characteristic of excitotoxicity, and a progressive paralysis. The loss of the neuronal glutamate transporter EAAC1 did not elevate extracellular glutamate in the striatum but did produce mild neurotoxicity and resulted in epilepsy. These studies suggest that glial glutamate transporters provide the majority of functional glutamate transport and are essential for maintaining low extracellular glutamate and for preventing chronic glutamate neurotoxicity.

Abstract The pathogenesis of sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is unknown, but defects in synaptosomal high‐affinity glutamate transport have been observed. In experimental models, chronic loss of glutamate transport can produce a loss of motor neurons and, therefore, could contribute to the disease. With the recent cloning of three glutamate transporters, i.e., EAAC1, GLT‐1, and GLAST, it has become possible to determine if the loss of glutamate transport in ALS is subtype specific. We developed C‐terminal, antioligopeptide antibodies that were specific for each glutamate transporter. EAAC1 is selective for neurons, while GLT‐1 and GLAST are selective for astroglia. Tissue from various brain regions of ALS patients and controls were examined by immunoblot or immunocytochemical methods for each transporter subtype. All tissue was matched for age and postmortem delay. GLT‐1 immunoreactive protein was severely decreased in ALS, both in motor cortex (71% decrease compared with control) and in spinal cord. In approximately a quarter of the ALS motor cortex specimens, the loss of GLT‐1 protein (90% decrease from control) was dramatic. By contrast, there was only a modest loss (20% decrease from control) of immunoreactive protein EAAC1 in ALS motor cortex, and there was no appreciable change in GLAST. The minor loss of EAAC1 could be secondary to loss of cortical motor neurons. As a comparison, glial fibrillary acidic protein, which is selectively localized to astroglia, was not changed in ALS motor cortex. Because there is no loss of astroglia in ALS, the dramatic abnormalities in GLT‐1 could reflect a primary defect in GLT‐1 protein, a secondary loss due to down regulation, or other toxic processes.

Oligodendroglia support axon survival and function through mechanisms independent of myelination, and their dysfunction leads to axon degeneration in several diseases. The cause of this degeneration has not been determined, but lack of energy metabolites such as glucose or lactate has been proposed. Lactate is transported exclusively by monocarboxylate transporters, and changes to these transporters alter lactate production and use. Here we show that the most abundant lactate transporter in the central nervous system, monocarboxylate transporter 1 (MCT1, also known as SLC16A1), is highly enriched within oligodendroglia and that disruption of this transporter produces axon damage and neuron loss in animal and cell culture models. In addition, this same transporter is reduced in patients with, and in mouse models of, amyotrophic lateral sclerosis, suggesting a role for oligodendroglial MCT1 in pathogenesis. The role of oligodendroglia in axon function and neuron survival has been elusive; this study defines a new fundamental mechanism by which oligodendroglia support neurons and axons.

Abstract

 High levels of familial Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS)-linked SOD1 mutants G93A and G37R were previously shown to mediate disease in mice through an acquired toxic property. We report here that even low levels of another mutant, G85R, cause motor neuron disease characterized by an extremely rapid clinical progression, without changes in SOD1 activity. Initial indicators of disease are astrocytic inclusions that stain intensely with SOD1 antibodies and ubiquitin and SOD1-containing aggregates in motor neurons, features common with some cases of SOD1 mutant- mediated ALS. Astrocytic inclusions escalate markedly as disease progresses, concomitant with a decrease in the glial glutamate transporter (GLT-1). Thus, the G85R SOD1 mutant mediates direct damage to astrocytes, which may promote the nearly synchronous degeneration of motor neurons.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a chronic degenerative neurologic disorder characterized by the death of motor neurons in the cerebral cortex and spinal cord. Recent studies have suggested that the metabolism of glutamate, a potentially neurotoxic amino acid, is abnormal in patients with ALS. We hypothesized that the high-affinity glutamate transporter is the site of the defect.

The hexanucleotide repeat expansion (HRE) GGGGCC (G4C2) in C9orf72 is the most common cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Recent studies support an HRE RNA gain-of-function mechanism of neurotoxicity, and we previously identified protein interactors for the G4C2 RNA including RanGAP1. A candidate-based genetic screen in Drosophila expressing 30 G4C2 repeats identified RanGAP (Drosophila orthologue of human RanGAP1), a key regulator of nucleocytoplasmic transport, as a potent suppressor of neurodegeneration. Enhancing nuclear import or suppressing nuclear export of proteins also suppresses neurodegeneration. RanGAP physically interacts with HRE RNA and is mislocalized in HRE-expressing flies, neurons from C9orf72 ALS patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSC-derived neurons), and in C9orf72 ALS patient brain tissue. Nuclear import is impaired as a result of HRE expression in the fly model and in C9orf72 iPSC-derived neurons, and these deficits are rescued by small molecules and antisense oligonucleotides targeting the HRE G-quadruplexes. Nucleocytoplasmic transport defects may be a fundamental pathway for ALS and FTD that is amenable to pharmacotherapeutic intervention. A candidate-based genetic screen in Drosophila expressing 30 G4C2-repeat-containing RNAs finds that RanGAP, a key regulator of nucleocytoplasmic transport, is a potent suppressor of neurodegeneration; the defects caused by the G4C2 repeat expansions can be rescued with antisense oligonucleotides or small molecules targeting the G-quadruplexes. The most common cause of the debilitating disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a hexanucleotide repeat expansion GGGGCC (G4C2) in the C9orf72 gene. Two studies in this issue use contrasting methods to arrive at a molecular mechanism that may cause a familial form of the disease. Using a candidate-based genetic screen in Drosophila expressing 30 G4C2 repeats (Ke Zhang et al.) or an unbiased genetic screen in Drosophila expressing 8, 28 or 58 G4C2 repeat-containing transcripts (Brian Freibaum et al.), the two groups sought genes that enhance or suppress the disease phenotype. Zhang et al. identify the gene encoding RanGAP, a key regulator of nucleocytoplasmic transport, and Freibaum et al. identifies genes that encode components of the nuclear pore and the nucleocytoplasmic transport machinery. Both papers show deficits in nucleocytoplasmic transport in Drosophila cells expressing G4C2 repeats and in iPSC-derived neurons from ALS patients. Zhang et al. show that these defects can be rescued with antisense oligonucleotides or small molecules targeting the G-quadruplexes.

A hexanucleotide repeat expansion (HRE), (GGGGCC)n, in C9orf72 is the most common genetic cause of the neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Here we identify a molecular mechanism by which structural polymorphism of the HRE leads to ALS/FTD pathology and defects. The HRE forms DNA and RNA G-quadruplexes with distinct structures and promotes RNA•DNA hybrids (R-loops). The structural polymorphism causes a repeat-length-dependent accumulation of transcripts aborted in the HRE region. These transcribed repeats bind to ribonucleoproteins in a conformation-dependent manner. Specifically, nucleolin, an essential nucleolar protein, preferentially binds the HRE G-quadruplex, and patient cells show evidence of nucleolar stress. Our results demonstrate that distinct C9orf72 HRE structural polymorphism at both DNA and RNA levels initiates molecular cascades leading to ALS/FTD pathologies, and provide the basis for a mechanistic model for repeat-associated neurodegenerative diseases. Structurally polymorphic C9orf72 hexanucleotide repeats cause an impairment in transcriptional processivity and lead to accumulation of truncated repeat-containing transcripts that bind to specific ribonucleoproteins, such as nucleolin, in a conformation-dependent manner resulting in nucleolar stress and C9orf72-linked pathology in amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. Repeat expansions — mutations in which extra copies of tandemly repeated DNA sequence are generated — underlie more than 40 genetic diseases, which typically lead to neurological and neuromuscular problems. The C9orf72 hexanucleotide repeat expansion has been identified as a cause for both amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Normal C9orf72 contains up to 25 repeats, whereas those in afflicted individuals can have thousands. This study suggests that a gain in RNA toxicity underlies C9orf72-linked pathology in ALS/FTD. Transcribed C9orf72 hexanucleotide repeats are shown to bind to specific ribonucleoproteins, such as nucleolin, in a conformation-dependent manner; as a result nucleolin is mislocalized and functionally impaired, leading to nucleolar stress.

A hexanucleotide GGGGCC repeat expansion in the noncoding region of the C9ORF72 gene is the most common genetic abnormality in familial and sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). The function of the C9ORF72 protein is unknown, as is the mechanism by which the repeat expansion could cause disease. Induced pluripotent stem cell (iPSC)-differentiated neurons from C9ORF72 ALS patients revealed disease-specific (1) intranuclear GGGGCCexp RNA foci, (2) dysregulated gene expression, (3) sequestration of GGGGCCexp RNA binding protein ADARB2, and (4) susceptibility to excitotoxicity. These pathological and pathogenic characteristics were confirmed in ALS brain and were mitigated with antisense oligonucleotide (ASO) therapeutics to the C9ORF72 transcript or repeat expansion despite the presence of repeat-associated non-ATG translation (RAN) products. These data indicate a toxic RNA gain-of-function mechanism as a cause of C9ORF72 ALS and provide candidate antisense therapeutics and candidate human pharmacodynamic markers for therapy.