Graphic Abstract Highlights (Up to four bullet points. The length of each highlight cannot exceed 85 characters, including spaces) Stress induces phase-separated TDP-43 NBs to alleviate cytotoxicity The two RRMs interact with different RNAs and act distinctly in the assembly of TDP-43 NBs LncRNA NEAT1 promotes TDP-43 LLPS and is upregulated in stressed neurons The ALS-causing D169G mutation is NB-defective and forms pTDP-43 cytoplasmic foci Summary Despite the prominent role of TDP-43 in neurodegeneration, its physiological and pathological functions are not fully understood. Here, we report an unexpected function of TDP-43 in the formation of dynamic, reversible, liquid droplet-like nuclear bodies (NBs) in response to stress. Formation of NBs alleviates TDP-43-mediated cytotoxicity in mammalian cells and fly neurons. Super-resolution microscopy reveals a “core-shell” organization of TDP-43 NBs, antagonistically maintained by the two RRMs. TDP-43 NBs are partially colocalized with nuclear paraspeckles, whose scaffolding lncRNA NEAT1 is dramatically upregulated in stressed neurons. Moreover, increase of NEAT1 promotes TDP-43 liquid-liquid phase separation (LLPS) in vitro . Finally, we uncover that the ALS-associated mutation D169G impairs the NEAT1 -mediated TDP-43 LLPS and NB assembly, causing excessive cytoplasmic translocation of TDP-43 to form stress granules that become phosphorylated TDP-43 cytoplasmic foci upon prolonged stress. Together, our findings suggest a stress-mitigating role and mechanism of TDP-43 NBs, whose dysfunction may be involved in ALS pathogenesis.

ABSTRACT Cells have evolved a variety of mechanisms to respond to stress, such as activating the PERK– eIF2α pathway and forming stress granules (SGs). It is important that these mechanisms are inducted only when necessary and exerted at appropriate levels, to prevent spontaneous or excessive activation of stress responses. However, the mechanisms by which cells keep the stress response programs in check are elusive. In this study, we discovered that downregulation of Cell Division Cycle 5 Like ( CDC5L ) causes spontaneous SG formation in the absence of any stress, which is independent of its known functions in the cell cycle or the PRP19 complex. Instead, we found that CDC5L binds to the PERK promoter through its DNA-binding domains and represses PERK mRNA transcription. As a result, it negatively regulates the abundance of PERK protein and the phosphorylation levels of eIF2α, thereby suppressing the PERK–eIF2α signaling pathway and preventing undesirable SG assembly. Further RNA-sequencing (seq) and chromatin immunoprecipitation (ChIP)-seq analyses reveal a dual function of CDC5L in gene transcription: it acts as a transcriptional activator in cell cycle control but as a repressor in cellular stress responses. Finally, we show that the loss of CDC5L decreases cell viability and fly survival under mild stress conditions. Together, our findings demonstrate a previously unknown role and mechanism of CDC5L in the surveillance of cellular stress through transcriptional repression, which serves as a gatekeeper for the stress response programs such as the PERK–eIF2α pathway and SG formation. Significance statement Cells need to respond to stress promptly for survival. Meanwhile, it is equally important to prevent spontaneous or excessive activation of stress response programs when no stress or only minor stress is present. Here, we reveal that the DNA/RNA-binding protein CDC5L represses the transcription of a cluster of stress response genes including PERK . In doing so, CDC5L suppresses the PERK-eIF2α pathway and prevents spontaneous SG assembly. Downregulation of CDC5L releases the restraint on these genes, resulting in an exaggerated response to stress and decreased viability in both cell and fly models. Taken together, this study demonstrates the existence of a gatekeeper mechanism that surveils the stress response programs and highlights the crucial role of CDC5L-mediated transcriptional repression in this regulation.

Mutations in RNA-binding proteins localized in ribonucleoprotein (RNP) granules, such as hnRNP A1 and TDP-43, promote aberrant protein aggregations, which are pathological hallmarks in neurodegenerative diseases including amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Protein posttranslational modifications (PTMs) are known to regulate RNP granules. In this study, we investigate the function of PARylation, an important PTM involved in DNA damage repair and cell death, in RNP-related neurodegeneration. We reveal that PARylation levels are a major regulator of the dynamic assembly-disassembly of RNP granules, and the disease-related RNPs such as hnRNP A1 and TDP-43 can both be PARylated and bind to PARylated proteins. We further identify the PARylation site of hnRNP A1 at K298, which controls the cytoplasmic translocation of hnRNP A1 in response to stress, as well as the PAR-binding motif (PBM) of hnRNP A1, which is required for the delivery and association of hnRNP A1 to stress granules. Moreover, we show that PAR not only dramatically enhances the liquid-liquid phase separation of hnRNP A1, but also promotes the co-phase separation of hnRNP A1 and TDP-43 in vitro and their interaction in vivo. Finally, we establish that both genetic and pharmacological inhibition of PARP mitigates hnRNP A1 and TDP-43-mediated neurotoxicity in cell and Drosophila models of ALS. Together, our findings indicate a novel and crucial role of PARylation in regulating the assembly and the dynamics of RNP granules, and dysregulation of PARylation may contribute to ALS disease pathogenesis.