Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating neurodegenerative disease with limited treatment options. ALS pathogenesis involves intricate processes within motor neurons (MNs), characterized by dysregulated Ca2+ influx and buffering in early ALS-affected MNs. This study proposes the modulation of ryanodine receptors (RyRs), key mediators of intracellular Ca2+, as a therapeutic target. A novel class of novel FKBP12 ligands that show activity as cytosolic calcium modulators through stabilizing RyR channel activity, were tested in the SOD1-G93A mouse model of ALS. Different outcomes were used to assess treatment efficacy including electrophysiology, histopathology, neuromuscular function, and survival. Among the novel FKBP12 ligands, MP-010 was chosen for its central nervous system availability. Chronic administration of MP-010 to SOD1-G93A mice produced a dose-dependent preservation of motor nerve conduction, with the 61 mg/kg dose significantly delaying the onset of motor impairment. This was accompanied by improved motor coordination, increased innervated endplates, and significant preservation of MNs in the spinal cord of treated mice. Notably, MP-010 treatment significantly extended lifespan by an average of 10 days compared to vehicle. In conclusion, FKBP12 ligands, particularly MP-010, exhibit promising neuroprotective effects in ALS, highlighting their potential as novel therapeutic agents. Further investigations into the molecular mechanisms and clinical translatability of these compounds are needed for their application in ALS treatment.

ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder characterised by the progressive degeneration of motor neurons in the cerebral cortex and spinal cord, with a rapid progression from diagnosis to death. The great majority of ALS cases and around 50% of FTD cases present with TDP-43 pathology, leading to mislocalization and cytoplasmic aggregation of TDP-43, which can result in both its loss of nuclear functions and a gain of toxicity in the cytoplasm. TDP-43 and other RNA-binding proteins accumulate in stress granules (SGs) under stress conditions. The ubiquitin-specific protease 10 (USP10) is an inhibitor of SGs assembly that has been recently linked to neurodegeneration. Here, we identified a new functional interaction between TDP-43 and USP10, in which USP10 can control multiple aspects of TDP-43 biology that are thought to play important roles in its involvement in disease pathogenesis, such as its cytoplasmic and nuclear aggregation, expression and splicing functionality. In turn, TDP-43 is also able to control diverse aspects of USP10 biology, such as its expression levels, aggregation and function. Critically, we found USP10 dysregulation in ALS and FTD patients, overall suggesting a possible role for USP10 in ALS/FTD pathogenesis.

Abstract TDP-43 pathology is found in several neurodegenerative disorders, collectively referred to as “TDP-43 proteinopathies”. Aggregates of TDP-43 are present in the brains and spinal cords of >97% of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), and in brains of ∼50% of frontotemporal dementia (FTD) patients. While mutations in the TDP-43 gene ( TARDBP ) are usually associated with ALS, many clinical reports have linked these mutations to cognitive impairments and/or FTD, but also to other neurodegenerative disorders including Parkinsonism (PD) or progressive supranuclear palsy (PSP). TDP-43 is a ubiquitously expressed, highly conserved RNA-binding protein that is involved in many cellular processes, mainly RNA metabolism. To investigate systemic pathological mechanisms in TDP-43 proteinopathies, aiming to capture the pleiotropic effects of TDP-43 mutations, we have further characterised a mouse model carrying a point mutation (M323K) within the endogenous Tardbp gene. Homozygous mutant mice developed cognitive and behavioural deficits as early as 3 months of age. This was coupled with significant brain structural abnormalities, mainly in the cortex, hippocampus, and white matter fibres, together with progressive cortical interneuron degeneration and neuroinflammation. At the motor level, progressive phenotypes appeared around 6 months of age. Thus, cognitive phenotypes appeared to be of a developmental origin with a mild associated progressive neurodegeneration, while the motor and neuromuscular phenotypes seemed neurodegenerative, underlined by a progressive loss of upper and lower motor neurons as well as distal denervation. This is accompanied by progressive elevated TDP-43 protein and mRNA levels in cortex and spinal cord of homozygous mutant mice from 3 months of age, together with increased cytoplasmic TDP-43 mislocalisation in cortex, hippocampus, hypothalamus, and spinal cord at 12 months of age. In conclusion, we find that Tardbp M323K homozygous mutant mice model many aspects of human TDP-43 proteinopathies, evidencing a dual role for TDP-43 in brain morphogenesis as well as in the maintenance of the motor system, making them an ideal in vivo model system to study the complex biology of TDP-43.

Loss of function mutations in the human AMPA receptor-associated protein, ferric chelate reductase 1-like (FRRS1L), are associated with a devastating neurological condition incorporating choreoathetosis, cognitive deficits and epileptic encephalopathies. Furthermore, evidence from overexpression and ex vivo studies have implicated FRRS1L in AMPA receptor biogenesis and assembly, suggesting that changes in glutamatergic signalling might underlie the disorder. Here, we investigated the neurological and neurobehavioural correlates of the disorder using a mouse Frrs1l null mutant. The study revealed several neurological defects that mirrored those seen in human patients. We established that mice lacking Frrs1l suffered from a broad spectrum of early-onset motor deficits with no progressive, age-related deterioration. Moreover, Frrs1l-/- mice were hyperactive irrespective of test environment, exhibited working memory deficits and displayed significant sleep fragmentation. Longitudinal electroencephalographic recordings also revealed abnormal EEG in Frrs1l-/- mice. Parallel investigations into disease aetiology identified a specific deficiency in AMPA receptor levels in the brain of Frrs1l-/- mice, while the general levels of several other synaptic components remained unchanged with no obvious alterations in the number of synapses. Furthermore, we established that Frrsl1 deletion results in glycosylation deficits in GLUA2 and GLUA4 AMPA receptor proteins, leading to cytoplasmic retention and a reduction of those specific AMPA receptor levels in the postsynaptic membrane. Overall, this study determines, for the first time in vivo, how loss of FRRS1L function can affect glutamatergic signalling and provides mechanistic insight into the development and progression of a human hyperkinetic disorder.

SUMMARY Amyotrophic lateral sclerosis - frontotemporal dementia spectrum disorder (ALS/FTD) is a complex neurodegenerative disease; up to 10% of cases are familial, usually arising from single dominant mutations in >30 causative genes. Transgenic mouse models that overexpress human ALS/FTD causative genes have been the preferred organism for in vivo modelling. However, while conferring human protein biochemistry, these overexpression models are not ideal for dosage-sensitive proteins such as TDP-43 or FUS. We have created three next-generation genomically humanised knock-in mouse models for ALS/FTD research, by replacing the entire mouse coding region of Sod1 , Tardbp (TDP-43) and Fus , with their human orthologues to preserve human protein biochemistry, with exons and introns intact to enable future modelling of coding or non-coding mutations and variants and to preserve human splice variants. In generating these mice, we have established a new-standard of quality control: we demonstrate the utility of indirect capture for enrichment of a region of interest followed by Oxford Nanopore sequencing for robustly characterising large knock-in alleles. This approach confirmed that targeting occurred at the correct locus and to map homologous recombination events. Furthermore, extensive expression data from the three lines shows that homozygous humanised animals only express human protein, at endogenous levels. Characterisation of humanised FUS animals showed that they are phenotypically normal compared to wildtype littermates throughout their lifespan. These humanised mouse strains are critically needed for preclinical assessment of interventions, such as antisense oligonucleotides (ASOs), to modulate expression levels in patients, and will serve as templates for the addition of human ALS/FTD mutations to dissect disease pathomechanisms.