Abstract Post-translational modifications (PTMs) have emerged as key modulators of protein phase separation and have been linked to protein aggregation in neurodegenerative disorders. The major aggregating protein in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), the RNA-binding protein TDP-43, is hyperphosphorylated in disease on several C-terminal serine residues, which is generally believed to promote TDP-43 aggregation. Here, we show that hyperphosphorylation by Casein kinase 1δ or C-terminal phosphomimetic mutations surprisingly reduce TDP-43 phase separation and aggregation and render TDP-43 condensates more liquid-like and dynamic. Multi-scale simulations reveal reduced homotypic interactions of TDP-43 low complexity domains through enhanced solvation of phosphomimetic residues. Cellular experiments show that phosphomimetic substitutions do not affect nuclear import or RNA regulatory functions of TDP-43, but suppress accumulation of TDP-43 in membrane-less organelles and promote its solubility in neurons. We propose that TDP-43 hyperphosphorylation may be a protective cellular response to counteract TDP-43 aggregation.

Abstract TDP-43 inclusions enriched in C-terminal fragments of ~25kDa (“TDP-25”) are associated with neurodegeneration in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Here, we analyzed gain-of-function mechanisms of TDP-25 combining cryo-electron tomography, proteomics and functional assays. TDP-25 inclusions are amorphous with gel-like biophysical properties and sequester proteasomes adopting exclusively substrate-processing conformations. This leads to proteostasis impairment, further enhanced by pathogenic mutations. These findings bolster the importance of proteasome dysfunction in ALS/FTD.

Loss-of-function mutations in GRN are a major cause of frontotemporal lobar degeneration (FTLD) with TDP-43-positive inclusions. Progranulin (PGRN) loss leads to lysosomal dysfunction, microglial hyperactivation, and TDP-43 deposition, yet the underlying pathomechanism remains unknown. We demonstrate that PGRN slows the maturation and limits the proteolytic activity of the lysosomal protease legumain (LGMN). Accordingly, LGMN activity is strongly elevated in Grn knockout (ko) mice, in human induced pluripotent stem cell-derived GRN ko microglia, and in FTLD- GRN patients’ brain. Secreted microglial LGMN is internalized by neurons, where it mediates pathological processing of TDP-43, which is prevented by selective LGMN inhibition. In contrast, AAV-mediated overexpression of LGMN in mouse brains promotes TDP-43 processing, the aggregation of phosphorylated TDP-43 and increases plasma neurofilament light chain (NfL), a marker for neuronal loss. Our findings identify LGMN as a link between PGRN haploinsufficiency and TDP-43 pathology in FTLD- GRN and suggest LGMN as a therapeutic target.