The findings that amyotrophic lateral sclerosis (ALS) patients almost universally display pathological mislocalization of the RNA-binding protein TDP-43 and that mutations in its gene cause familial ALS have nominated altered RNA metabolism as a disease mechanism. However, the RNAs regulated by TDP-43 in motor neurons and their connection to neuropathy remain to be identified. Here we report transcripts whose abundances in human motor neurons are sensitive to TDP-43 depletion. Notably, expression of STMN2, which encodes a microtubule regulator, declined after TDP-43 knockdown and TDP-43 mislocalization as well as in patient-specific motor neurons and postmortem patient spinal cord. STMN2 loss upon reduced TDP-43 function was due to altered splicing, which is functionally important, as we show STMN2 is necessary for normal axonal outgrowth and regeneration. Notably, post-translational stabilization of STMN2 rescued neurite outgrowth and axon regeneration deficits induced by TDP-43 depletion. We propose that restoring STMN2 expression warrants examination as a therapeutic strategy for ALS.

Abstract RNA quality control is crucial for proper regulation of gene expression. Disruption of nonsense mediated mRNA decay (NMD), the primary RNA decay pathway responsible for the degradation of transcripts containing premature termination codons (PTCs), can disrupt development and lead to multiple diseases in humans and other animals. Similarly, therapies targeting NMD may have applications in hematological, neoplastic and neurological disorders. As such, tools capable of accurately quantifying NMD status could be invaluable for investigations of disease pathogenesis and biomarker identification. Toward this end, we assemble, validate, and apply a next-generation sequencing approach (NMDq) for identifying and measuring the abundance of PTC-containing transcripts. After validating NMDq performance and confirming its utility for tracking RNA surveillance, we apply it to determine pathway activity in two neurodegenerative diseases, amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) characterized by RNA misprocessing and abnormal RNA stability. Despite the genetic and pathologic evidence implicating dysfunctional RNA metabolism, and NMD in particular, in these conditions, we detected no significant differences in PTC-encoding transcripts in ALS models or disease. Contrary to expectations, overexpression of the master NMD regulator UPF1 had little effect on the clearance of transcripts with PTCs, but rather restored RNA homeostasis through differential use and decay of alternatively poly-adenylated isoforms. Together, these data suggest that canonical NMD is not a significant contributor to ALS/FTD pathogenesis, and that UPF1 promotes neuronal survival by regulating transcripts with abnormally long 3’UTRs.

To discover novel genetic risk factors underlying amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we aggregated exomes from 3,864 cases and 7,839 ancestry matched controls. We observed a significant excess of ultra-rare and rare protein-truncating variants (PTV) among ALS cases, which was primarily concentrated in constrained genes; however, a significant enrichment in PTVs does persist in the remaining exome. Through gene level analyses, known ALS genes, SOD1, NEK1, and FUS, were the most strongly associated with disease status. We also observed suggestive statistical evidence for multiple novel genes including DNAJC7, which is a highly constrained gene and a member of the heat shock protein family (HSP40). HSP40 proteins, along with HSP70 proteins, facilitate protein homeostasis, such as folding of newly synthesized polypeptides, and clearance of degraded proteins. When these processes are not regulated, misfolding and accumulation of degraded proteins can occur leading to aberrant protein aggregation, one of the pathological hallmarks of neurodegeneration.

Abstract The Kv8.1 potassium ion channel encoded by the KCNV1 gene is a “silent” subunit whose biological function is unknown. In ALS patient-derived motor neurons carrying SOD1(A4V) and C9orf72 mutations, its expression is highly reduced, yielding increased vulnerability to cell death without a change in motor neuronal firing. Our data suggests that Kv8.1 modulates Kv2 channel function to impact neuronal metabolism and lipid/protein transport pathways, but not excitability.

Summary Loss of function (LoF) of Tar-binding protein 43 (TDP-43) and mislocalization, together with TDP-43-positive and hyperphosphorylated inclusions, are found in postmortem tissue of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) patients, including those carrying LoF variants in the progranulin gene ( GRN ). Modelling TDP-43 pathology has been challenging in vivo and in vitro . We present a 3D-induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived paradigm - mature brain organoids (mbOrg) - composed of cortical-like-astrocytes (iA) and neurons (iN). When devoid of GRN , mbOrgs spontaneously recapitulate TDP-43 mislocalization, hyperphosphorylation and LoF phenotypes. Mixing-and-matching genotypes in mbOrgs showed that GRN −/− iA are drivers for TDP-43 pathology. Finally, we rescued TDP-43 LoF by adding exogenous progranulin, demonstrating a link between TDP-43 LoF and progranulin expression. In conclusion, we present an iPSC-derived platform that shows striking features of human TDP-43 proteinopathy and provides a tool for mechanistic modelling of TDP-43 pathology and patient-tailored therapeutic screening for FTD and ALS. Highlights GRN −/− iPSC-derived 3D paradigm (mbOrg) composed of mature cortical-like astrocytes and neurons recapitulates features of TDP-43 proteinopathy GRN −/− cortical-like astrocytes are necessary and sufficient for the development of the TDP-43 loss of function phenotype in mbOrg. A TDP-43 phenotype can be rescued in neurons by treating neuron and astrocyte co-cultures with progranulin full length protein. eTOC blurb In this article, de Majo and colleagues present a novel 3D iPSC-derived model to study neurodegenerative disorders such as ALS and FTD. When devoid of GRN expression, these cultures present features of ALS and FTD associated pathology hardly ever observed in vitro . These phenotypes are shown to be primarily driven by diseased astrocytes and can be rescued by progranulin supplementation.

Cytoplasmic aggregation of the TAR-DNA binding protein of 43 kDa (TDP-43) is the hallmark of sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Most ALS patients with TDP-43 aggregates in neurons and glia do not have mutations in the TDP-43 gene but contain aberrantly post-translationally modified TDP-43. Here, we found that a single acetylation-mimetic mutation (K82Q) near the TDP-43 minor Nuclear Localization Signal (NLS) box, which mimics a post-translational modification identified in an ALS patient, can lead to TDP-43 mislocalization to the cytoplasm and irreversible aggregation. We demonstrate that the acetylation mimetic disrupts binding to importins, halting nuclear import and preventing importin α 1/ β anti-aggregation activity. We propose that perturbations near the NLS are an additional mechanism by which a cellular insult other than a genetically inherited mutation leads to TDP-43 aggregation and loss of function. Our findings are relevant to deciphering the molecular etiology of sporadic ALS.

While voltage-gated potassium channels have critical roles in controlling neuronal excitability, they also have non-ion-conducting functions. Kv8.1, encoded by the KCNV1 gene, is a 'silent' ion channel subunit whose biological role is complex since Kv8.1 subunits do not form functional homotetramers but assemble with Kv2 to modify its ion channel properties. We profiled changes in ion channel expression in amyotrophic lateral sclerosis patient-derived motor neurons carrying a superoxide dismutase 1(A4V) mutation to identify what drives their hyperexcitability. A major change identified was a substantial reduction of KCNV1/Kv8.1 expression, which was also observed in patient-derived neurons with C9orf72 expansion. We then studied the effect of reducing KCNV1/Kv8.1 expression in healthy motor neurons and found it did not change neuronal firing but increased vulnerability to cell death. A transcriptomic analysis revealed dysregulated metabolism and lipid/protein transport pathways in KCNV1/Kv8.1-deficient motor neurons. The increased neuronal vulnerability produced by the loss of KCNV1/Kv8.1 was rescued by knocking down Kv2.2, suggesting a potential Kv2.2-dependent downstream mechanism in cell death. Our study reveals, therefore, unsuspected and distinct roles of Kv8.1 and Kv2.2 in amyotrophic lateral sclerosis-related neurodegeneration.