Abstract Argonaute 2 (AGO2), the effector protein partner of microRNAs (miRNAs) in the cytoplasmic RNA induced silencing complex, is further involved in nuclear RNA processing. However, a role for AGO2 in regulation of alternative polyadenylation was not yet demonstrated. Here, we reveal unexpected abundance of AGO2 in mouse neuronal nuclei and characterize nuclear AGO2 interactors by mass spectrometry. We discover that AGO2 broadly regulated alternative polyadenylation (APA) in neuronal cells. Specifically, we demonstrate how two isoforms of Ret mRNA, which encodes a receptor tyrosine kinase are regulated by AGO2-depenent APA, affecting downstream GDNF signaling in primary motor neurons.

ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an archetypal complex disease centered on progressive death of motor neurons. Despite heritability estimates of 52%, GWAS studies have discovered only seven genome-wide significant hits, which are relevant to <10% of ALS patients. To increase the power of gene discovery, we integrated motor neuron functional genomics with ALS genetics in a hierarchical Bayesian model called RefMap. Comprehensive transcriptomic and epigenetic profiling of iPSC-derived motor neurons enabled RefMap to systematically fine-map genes and pathways associated with ALS. As a significant extension of the known genetic architecture of ALS, we identified a group of 690 candidate ALS genes, which is enriched with previously discovered risk genes. Extensive conservation, transcriptome and network analyses demonstrated the functional significance of these candidate genes in motor neurons and disease progression. In particular, we observed a genetic convergence on the distal axon, which supports the prevailing view of ALS as a distal axonopathy. Of the new ALS genes we discovered, we further characterized KANK1 that is enriched with coding and noncoding, common and rare ALS-associated genetic variation. Modelling patient mutations in human neurons reduced KANK1 expression and produced neurotoxicity with disruption of the distal axon. RefMap can be applied broadly to increase the discovery power in genetic association studies of human complex traits and diseases.

Abstract The non-coding genome is substantially larger than the protein-coding genome but is largely unexplored by genetic association studies. Here, we performed region-based burden analysis of >25,000 variants in untranslated regions of 6,139 amyotrophic lateral sclerosis (ALS) whole-genomes and 70,403 non-ALS controls. We identified Interleukin-18 Receptor Accessory Protein (IL18RAP) 3′UTR variants significantly enriched in non-ALS genomes, replicated in an independent cohort, and associated with a five-fold reduced risk of developing ALS. Variant IL18RAP 3′UTR reduces mRNA stability and the binding of RNA-binding proteins. Variant IL18RAP 3′UTR further dampens neurotoxicity of human iPSC-derived C9orf72-ALS microglia that depends on NF-κB signaling. Therefore, the variant IL18RAP 3′UTR provides survival advantage for motor neurons co-cultured with C9-ALS microglia. The study reveals direct genetic evidence and therapeutic targets for neuro-inflammation, and emphasizes the importance of non-coding genetic association studies. One Sentence Summary Non-coding genetic variants in IL-18 receptor 3’UTR decrease ALS risk by modifying IL-18-NF-κB signaling in microglia.

Abstract Systematic assessment of organelle architectures in cells, known as the organellome, could provide valuable insights into cellular states and disease pathologies but remains largely uncharted. Here, we devised a novel pipeline combining self-supervised deep learning and transfer learning to generate a Neuronal Organellomics Vision Atlas (NOVA). Analyzing over 1.5 million confocal images of 24 distinct membrane-bound and membrane-less organelles in human neurons, we enable a simultaneous evaluation of all organelles. We show that organellomics allows the study of cellular phenotypes by quantifying the localization and morphological properties embodied in multiple different organelles, using a unified score. We further developed a strategy to superimpose all organelles, which represents a new realization of cellular state. The value of our approach is demonstrated by characterizing specific organellar responses of human neurons to stress, cytoplasmic mislocalization of TDP-43, or disease-associated variations in ALS genes. Therefore, organellomics offers a novel approach to study the neuro-cellular biology of diseases. Highlights AI-driven organellomics without cell segmentation or multiplexed imaging. Analysis of 24 membrane-bound and membrane-less organelles in more than 1.5 million images of human neurons. Quantitative organelle-level description of neuronal response to chemical and genetic perturbations. Organelles ranked on a single metric scale and integrated organellome view via superposition of multiple organelles.

Cytoplasmic stress granules (SG) form in response to a variety of cellular stresses by phase-separation of proteins associated with non-translating mRNAs. SG provide insight into the biology of neurodegeneration, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS) because they approximate some of the molecular conditions for nucleation of insoluble aggregates in neuropathological inclusions. Whereas much has been learned about SG formation, a major gap remains in understanding the compositional changes SG undergo during normal disassembly and under disease conditions. Here, we address this gap by proteomic dissection of SG temporal disassembly sequence, using multi-bait APEX proximity-proteomics. We discover 109 novel SG-proteins and characterize at proteomic resolution two biophysically distinct SG substructures. We further demonstrate that dozens of additional proteins are recruited to SG specifically during disassembly, indicating that it is a highly regulated process. The involved proteins link SG disassembly, to mitochondrial biology and the cytoskeleton. Parallel analysis with C9ORF72-associated dipeptides, which are found in patients with ALS and frontotemporal dementia, demonstrated compositional changes in SG during the course of disassembly and focused our attention on the roles SUMOylation in SG disassembly. We demonstrate that broad SUMOylation of SG-proteins is required for SG disassembly and is impaired by C9ORF72-associated dipeptides, representing an unexplored potential molecular mechanism of neurodegeneration. Altogether, out study fundamentally increases the knowledge about SG composition in human cells by dissecting the SG spatio-temporal proteomic landscape, provides an in-depth resource for future work on SG function and reveals basic and disease-relevant mechanisms of SG disassembly.