Abstract Nuclear clearance of the DNA/RNA-binding protein TDP-43 is a pathologic hallmark of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia that remains unexplained. Moreover, our current understanding of TDP-43 nucleocytoplasmic shuttling does not fully explain the predominantly nuclear localization of TDP-43 in healthy cells. Here, we used permeabilized and live-cell models to investigate TDP-43 nuclear export and the role of RNA in TDP-43 localization. We show that TDP-43 nuclear efflux occurs in low-ATP conditions and independent of active mRNA export, consistent with export by passive diffusion through nuclear pore channels. TDP-43 nuclear residence requires binding to GU-rich nuclear intronic pre-mRNAs, based on the induction of TDP-43 nuclear efflux by RNase and GU-rich oligomers and TDP-43 nuclear retention conferred by pre-mRNA splicing inhibitors. Mutation of TDP-43 RNA recognition motifs disrupts TDP-43 nuclear accumulation and abolishes transcriptional blockade-induced TDP-43 nuclear efflux, demonstrating strict dependence of TDP-43 nuclear localization on RNA binding. Thus, the nuclear abundance of GU-rich intronic pre-mRNAs, as dictated by the balance of transcription and pre-mRNA processing, regulates TDP-43 nuclear sequestration and availability for passive nuclear export.

Nucleocytoplasmic transport, controlled by the nuclear pore complex, has recently emerged as a pathomechanism underlying neurodegenerative diseases including C9orf72 ALS/FTD. However, little is known about the underlying molecular events and the underlying biology in human neurons. Using super resolution structured illumination microscopy of twenty three nucleoporins in nuclei from C9orf72 iPSC derived neurons and postmortem human tissue we identify a unique subset of eight nucleoporins lost from human neuronal nuclei. POM121, an integral transmembrane nucleoporin, appears to coordinate the composition of the nucleoporins within human neuronal nuclei ultimately impacting nucleocytoplasmic transport, and subsequent cellular toxicity in C9orf72 iPSNs. These data suggest that POM121 is a critical nucleoporin in the maintenance of the nuclear localization of specific nucleoporins in human neurons. Moreover, loss of nuclear POM121, as a result of expanded C9orf72 ALS/FTD repeat RNA, initiates a pathological cascade affecting nucleoporin composition within neuronal nuclei, nuclear pore complex function, and overall downstream neuronal survival.

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.

The G