Summary Hsp104 is an AAA+ protein disaggregase that solubilizes and reactivates proteins trapped in aggregated states. We have engineered potentiated Hsp104 variants to mitigate toxic misfolding of α-synuclein, TDP-43, and FUS implicated in fatal neurodegenerative disorders. Though potent disaggregases, these enhanced Hsp104 variants lack substrate specificity, and can have unfavorable off-target effects. Here, to lessen off-target effects, we engineer substrate-specific Hsp104 variants. By altering Hsp104 pore loops that engage substrate, we disambiguate Hsp104 variants that selectively suppress α-synuclein toxicity but not TDP-43 or FUS toxicity. Remarkably, α-synuclein-specific Hsp104 variants emerge that mitigate α-synuclein toxicity via distinct ATPase-dependent mechanisms, involving α-synuclein disaggregation or detoxification of α-synuclein conformers without disaggregation. Importantly, both types of α-synuclein-specific Hsp104 variant reduce dopaminergic neurodegeneration in a C. elegans model of Parkinson’s disease more effectively than non-specific variants. We suggest that increasing the substrate specificity of enhanced disaggregases could be applied broadly to tailor therapeutics for neurodegenerative disease.

ABSTRACT De novo designed peptides that self-assemble into cross-β rich fibrillar biomaterials have been pursued as an innovative platform for the development of adjuvant- and inflammation-free vaccines. However, they share structural properties similar to amyloid species implicated in neurodegenerative diseases, which has been a long-standing concern for their translation. Here, we comprehensively characterize the amyloidogenic character of the amphipathic self-assembling cross-β peptide KFE 8 , compared to pathological amyloid and amyloid-like proteins α-synuclein (α-syn) and TDP-43. Further, we developed plasmid-based DNA vaccines with the KFE 8 backbone serving as a fibrillizing scaffold for delivery of a GFP model antigen. We find that expression of tandem repeats of KFE 8 is non-toxic and can be efficiently cleared by autophagy. We also demonstrate that synthetic KFE 8 nanofibers do not cross-seed amyloid formation of α-syn in mammalian cells compared to α-syn preformed fibrils. In mice, vaccination with plasmids encoding the KFE 32 -GFP fusion protein elicited robust immune responses, inducing production of significantly higher levels of anti-GFP antibodies compared to soluble GFP or α-syn tagged GFP. Antigen-specific CD8 + T cells were also detected in the spleens of vaccinated mice and cytokine profiles from antigen recall assays indicate a balanced Th1/Th2 response. These findings illustrate that cross-β-rich peptide nanofibers have distinct properties from those of pathological amyloidogenic proteins, and are an attractive platform for the development of DNA vaccines with self-adjuvanting properties and improved safety profiles.

TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) is an RNA binding protein that accumulates as aggregates in the central nervous system of some neurodegenerative diseases. However, TDP-43 aggregation is also a sensitive and specific pathologic feature found in a family of degenerative muscle diseases termed inclusion body myopathy (IBM). TDP-43 aggregates from ALS and FTD brain lysates may serve as self-templating aggregate seeds in vitro and in vivo, supporting a prion-like spread from cell to cell. Whether a similar process occurs in IBM patient muscle is not clear. We developed a mouse model of inducible, muscle-specific cytoplasmic localized TDP-43. These mice develop muscle weakness with robust accumulation of insoluble and phosphorylated sarcoplasmic TDP-43, leading to eosinophilic inclusions, altered proteostasis and changes in TDP-43-related RNA processing that resolve with the removal of doxycycline. Skeletal muscle lysates from these mice also have seeding competent TDP-43, as determined by a FRET-based biosensor, that persists for weeks upon resolution of TDP-43 aggregate pathology. Human muscle biopsies with TDP-43 pathology also contain TDP-43 aggregate seeds. Using lysates from muscle biopsies of patients with IBM, IMNM and ALS we found that TDP-43 seeding capacity was specific to IBM. Surprisingly, TDP-43 seeding capacity anti-correlated with TDP-43 aggregate and vacuole abundance. These data support that TDP-43 aggregate seeds are present in IBM skeletal muscle and represent a unique TDP-43 pathogenic species not previously appreciated in human muscle disease.TDP-43 aggregate seeds persist in mouse and human skeletal muscle independent of large TDP-43 inclusions.

Misfolded protein aggregates may cause toxic proteinopathy, including autosomal dominant tubulointerstitial kidney disease due to uromodulin mutations (ADTKD- UMOD ), one of the leading hereditary kidney diseases, and Alzheimer’s disease etc. There are no targeted therapies. ADTKD is also a genetic form of renal fibrosis and chronic kidney disease, which affects 500 million people worldwide. For the first time, in our newly generated mouse model recapitulating human ADTKD- UMOD carrying a leading UMOD deletion mutation, we show that autophagy/mitophagy and mitochondrial biogenesis are severely impaired, leading to cGAS- STING activation and tubular injury. Mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor (MANF) is a novel endoplasmic reticulum stress-regulated secreted protein. We provide the first study that inducible tubular overexpression of MANF after the onset of disease stimulates autophagy/mitophagy and clearance of the misfolded UMOD, and promotes mitochondrial biogenesis through p-AMPK enhancement, resulting in protection of kidney function. Conversely, genetic ablation of endogenous MANF upregulated in the mutant mouse and human tubular cells worsens autophagy suppression and kidney fibrosis. Together, we discover MANF as a novel biotherapeutic protein and elucidate previously unknown mechanisms of MANF in regulating organelle homeostasis to treat ADTKD, which may have broad therapeutic application to treat various proteinopathies.

The AAA+ protein disaggregase, Hsp104, increases fitness under stress by reversing stress-induced protein aggregation. We have engineered potentiated Hsp104 variants to antagonize proteotoxic misfolding linked to human neurodegenerative diseases. However, these Hsp104 variants can exhibit off-target toxicity, which may limit their therapeutic utility. Hsp104 is conserved among all nonmetazoan eukaryotes, which raises the possibility that natural variants might exist with enhanced, selective activity against neurodegenerative disease substrates. To assess this possibility, we screened a cross-kingdom collection of Hsp104 homologs in several yeast proteotoxicity models. We uncovered therapeutic genetic variation among several Hsp104 homologs that specifically antagonize TDP-43 or alpha-synuclein condensate formation and toxicity in yeast, human cells, and C. elegans. Surprisingly, this variation manifested as increased passive chaperone activity, distinct from disaggregase activity, which neutralizes proteotoxicity of specific substrates. Thus, by exploring natural tuning of passive chaperone activity we elucidated enhanced, substrate-specific agents to counter proteotoxicity underlying neurodegenerative disease.