The mechanisms by which mutations in FUS and other RNA binding proteins cause ALS and FTD remain controversial. We propose a model in which low-complexity (LC) domains of FUS drive its physiologically reversible assembly into membrane-free, liquid droplet and hydrogel-like structures. ALS/FTD mutations in LC or non-LC domains induce further phase transition into poorly soluble fibrillar hydrogels distinct from conventional amyloids. These assemblies are necessary and sufficient for neurotoxicity in a C. elegans model of FUS-dependent neurodegeneration. They trap other ribonucleoprotein (RNP) granule components and disrupt RNP granule function. One consequence is impairment of new protein synthesis by cytoplasmic RNP granules in axon terminals, where RNP granules regulate local RNA metabolism and translation. Nuclear FUS granules may be similarly affected. Inhibiting formation of these fibrillar hydrogel assemblies mitigates neurotoxicity and suggests a potential therapeutic strategy that may also be applicable to ALS/FTD associated with mutations in other RNA binding proteins.

Summary

 Reversible phase separation underpins the role of FUS in ribonucleoprotein granules and other membrane-free organelles and is, in part, driven by the intrinsically disordered low-complexity (LC) domain of FUS. Here, we report that cooperative cation-π interactions between tyrosines in the LC domain and arginines in structured C-terminal domains also contribute to phase separation. These interactions are modulated by post-translational arginine methylation, wherein arginine hypomethylation strongly promotes phase separation and gelation. Indeed, significant hypomethylation, which occurs in FUS-associated frontotemporal lobar degeneration (FTLD), induces FUS condensation into stable intermolecular β-sheet-rich hydrogels that disrupt RNP granule function and impair new protein synthesis in neuron terminals. We show that transportin acts as a physiological molecular chaperone of FUS in neuron terminals, reducing phase separation and gelation of methylated and hypomethylated FUS and rescuing protein synthesis. These results demonstrate how FUS condensation is physiologically regulated and how perturbations in these mechanisms can lead to disease.

Protein aggregation is linked with neurodegeneration and numerous other diseases by mechanisms that are not well understood. Here, we have analyzed the gain-of-function toxicity of artificial β sheet proteins that were designed to form amyloid-like fibrils. Using quantitative proteomics, we found that the toxicity of these proteins in human cells correlates with the capacity of their aggregates to promote aberrant protein interactions and to deregulate the cytosolic stress response. The endogenous proteins that are sequestered by the aggregates share distinct physicochemical properties: They are relatively large in size and significantly enriched in predicted unstructured regions, features that are strongly linked with multifunctionality. Many of the interacting proteins occupy essential hub positions in cellular protein networks, with key roles in chromatin organization, transcription, translation, maintenance of cell architecture and protein quality control. We suggest that amyloidogenic aggregation targets a metastable subproteome, thereby causing multifactorial toxicity and, eventually, the collapse of essential cellular functions.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJkYTg4OGJhYzk5NmUwNTVmOGFjYWIzMGEzMzQ3MzgzMCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjM0Mzg1NDAwfQ.T2EQT5tjhsfVAMenTjH-dpuUwgH3ZFKBEaKHuwnffouWZeDrav8MegRqxjqw7fWaGgIsXNOCzXi-zqAnQpOEcOlEJWdZf1jsMQnNgAMPJ3oR1zdN31GlMNLzVMUOSHJPBbjOQZSwfIWFnIlzd0kj5_eoCBkB8DodrP5P6RYcoqgEZCyrhWLrinWPVP7Umayt_recDRhnVJxYBqWsjqSTVD3-Vou7w0Kpcvnr9BIj4LW3pDz9Rpg5fTDoyBlE8Hn48khLTHwW0cTJkCiJ2GtBv71suKzJp2jH8TbtgFonOgL2xgp88jlQOGQNfBKvLFWjYWHHK8EZQPYuYA7gR8Ws9Q(mp4, (19.69 MB) Download video

We present a method for predicting the regions of the sequences of peptides and proteins that are most important in promoting their aggregation and amyloid formation. The method extends previous approaches by allowing such predictions to be carried out for conditions under which the molecules concerned can be folded or contain a significant degree of persistent structure. In order to achieve this result, the method uses only knowledge of the sequence of amino acids to estimate simultaneously both the propensity for folding and aggregation and the way in which these two types of propensity compete. We illustrate the approach by its application to a set of peptides and proteins both associated and not associated with disease. Our results show not only that the regions of a protein with a high intrinsic aggregation propensity can be identified in a robust manner but also that the structural context of such regions in the monomeric form is crucial for determining their actual role in the aggregation process.

An experimental determination of the thermodynamic stabilities of a series of amyloid fibrils reveals that this structural form is likely to be the most stable one that protein molecules can adopt even under physiological conditions. This result challenges the conventional assumption that functional forms of proteins correspond to the global minima in their free energy surfaces and suggests that living systems are conformationally as well as chemically metastable.

ABSTRACT Specific elements of viral genomes regulate interactions within host cells. Here, we calculated the secondary structure content of >2000 coronaviruses and computed >100000 human protein interactions with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). The genomic regions display different degrees of conservation. SARS-CoV-2 domain encompassing nucleotides 22500 – 23000 is conserved both at the sequence and structural level. The regions upstream and downstream, however, vary significantly. This part codes for the Spike S protein that interacts with the human receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). Thus, variability of Spike S may be connected to different levels of viral entry in human cells within the population. Our predictions indicate that the 5’ end of SARS-CoV-2 is highly structured and interacts with several human proteins. The binding proteins are involved in viral RNA processing such as double-stranded RNA specific editases and ATP-dependent RNA-helicases and have strong propensity to form stress granules and phase-separated complexes. We propose that these proteins, also implicated in viral infections such as HIV, are selectively recruited by SARS-CoV-2 genome to alter transcriptional and post-transcriptional regulation of host cells and to promote viral replication.

ABSTRACT Nucleic acids can act as potent modulators of protein aggregation, and RNA is able to either hinder or facilitate protein assembly depending on the molecular context. Here we used a computational approach to characterize the physico-chemical properties of regions involved in amyloid aggregation. In different experimental datasets we observed that, while the core is hydrophobic and highly ordered, external regions, more disordered, display a distinct tendency to interact with nucleic acids. To validate our predictions, we performed aggregation assays with α-synuclein (aS140), a non-nucleic acid binding amyloidogenic protein, and a mutant truncated at the acidic C-terminus (aS103) that is predicted to sequester RNA. For both aS140 and aS103 we observed acceleration of the aggregation upon RNA addition with a significantly stronger effect for aS103. Due to the favorable electrostatics, we observed enhanced nucleic-acid sequestration ability for aS103 that entrapped a larger amount of RNA. Overall, our research suggests that RNA sequestration is a rather common phenomenon linked to protein aggregation and constitutes a gain-of-function mechanism to be further investigated. STATEMENT OF SIGNIFICANCE Our study indicates that aggregation confers RNA-binding ability to non-RNA-binding proteins such as alpha synuclein. The sequestration of RNA upon protein aggregation might alter RNA homeostasis and impact multiple biochemical cascades.

ABSTRACT Trimethylguanosine synthase 1 (TGS1) is a highly conserved enzyme that converts the 5’ mono-methylguanosine cap of snRNAs to a trimethylguanosine cap. Here, we show that loss of TGS1 in C. elegans, D. melanogaster and D. rerio results in neurological phenotypes similar to those caused by Survival Motor Neuron (SMN) deficiency. Importantly, expression of human TGS1 ameliorates the SMN -dependent neurological phenotypes in both flies and worms, revealing that TGS1 can partly counteract the effects of SMN deficiency. TGS1 loss in HeLa cells leads to the accumulation of immature U2 and U4atac snRNAs with long 3’ tails that are often uridylated. snRNAs with defective 3’ terminations also accumulate in Drosophila Tgs1 mutants. Consistent with defective snRNA maturation, TGS1 and SMN mutant cells also exhibit partially overlapping transcriptome alterations that include aberrantly spliced and readthrough transcripts. Together, these results identify a neuroprotective function for TGS1 and reinforce the view that defective snRNA maturation affects neuronal viability and function.

Abstract MicroRNA expression is important for gene regulation and deregulated microRNA expression is often observed in disease such as cancer. The processing of primary microRNA transcripts is an important regulatory step in microRNA biogenesis. Due to low expression level and association with chromatin primary microRNAs are challenging to study in clinical samples where input material is limited. Here, we present a high-sensitivity targeted method to determine processing efficiency of several hundred primary microRNAs from total RNA using as little as 500 thousand Illumina HiSeq sequencing reads. We validate the method using RNA from HeLa cells and show the applicability to clinical samples by analyzing RNA from normal liver and hepatocellular carcinoma. We identify 24 primary microRNAs with significant changes in processing efficiency from normal liver to hepatocellular carcinoma, among those the highly expressed miRNA-122 and miRNA-21, demonstrating that differential processing of primary microRNAs is occurring and could be involved in disease. With our method presented here we provide means to study pri-miRNA processing in disease from clinical samples.

Abstract RNA-binding proteins (RBPs) are crucial factors of post-transcriptional gene regulation and their modes of action are intensely investigated. At the center of attention are RNA motifs that guide where RBPs bind. However, sequence motifs are often poor predictors of RBP-RNA interactions in vivo . It is hence believed that many RBPs recognize RNAs as complexes, to increase specificity and regulatory possibilities. To probe the potential for complex formation among RBPs, we assembled a library of 978 mammalian RBPs and used rec-Y2H screening to detect direct interactions between RBPs, sampling > 600 K interactions. We discovered 1994 new interactions and demonstrate that interacting RBPs bind RNAs adjacently in vivo . We further find that the mRNA binding region and motif preferences of RBPs can deviate, depending on their adjacently binding interaction partners. Finally, we reveal novel RBP interaction networks among major RNA processing steps and show that splicing impairing RBP mutations observed in cancer rewire spliceosomal interaction networks. Graphical abstract