RNA-binding proteins (RBPs) with prion-like domains (PrLDs) phase transition to functional liquids, which can mature into aberrant hydrogels composed of pathological fibrils that underpin fatal neurodegenerative disorders. Several nuclear RBPs with PrLDs, including TDP-43, FUS, hnRNPA1, and hnRNPA2, mislocalize to cytoplasmic inclusions in neurodegenerative disorders, and mutations in their PrLDs can accelerate fibrillization and cause disease. Here, we establish that nuclear-import receptors (NIRs) specifically chaperone and potently disaggregate wild-type and disease-linked RBPs bearing a NLS. Karyopherin-β2 (also called Transportin-1) engages PY-NLSs to inhibit and reverse FUS, TAF15, EWSR1, hnRNPA1, and hnRNPA2 fibrillization, whereas Importin-α plus Karyopherin-β1 prevent and reverse TDP-43 fibrillization. Remarkably, Karyopherin-β2 dissolves phase-separated liquids and aberrant fibrillar hydrogels formed by FUS and hnRNPA1. In vivo, Karyopherin-β2 prevents RBPs with PY-NLSs accumulating in stress granules, restores nuclear RBP localization and function, and rescues degeneration caused by disease-linked FUS and hnRNPA2. Thus, NIRs therapeutically restore RBP homeostasis and mitigate neurodegeneration.

Untangling aggregates one step at a time Conserved AAA+ protein complexes exploit adenosine triphosphate hydrolysis to unfold and disaggregate their substrates in response to cell stress, but exactly how they do this has been unclear. Gates et al. determined high-resolution cryo-electron microscopy structures of the Hsp104 disaggregase bound to an unfolded polypeptide substrate in its channel. The structures reveal substrate interactions and two different translocation states. Hsp104 undergoes conformational changes that drive movement along the substrate by two-amino-acid steps. These states help explain how this molecular machine can solubilize protein aggregates and amyloids. Science , this issue p. 273

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.

TAR DNA binding protein 43 (TDP-43) is an RNA binding protein that accumulates as aggregates in the central nervous systems of some patients with 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. TDP-43 aggregates from amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia 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 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 sporadic inclusion body myositis (IBM), immune-mediated necrotizing myopathy (IMNM), and ALS, we found that TDP-43 seeding capacity was specific to IBM. TDP-43 seeding capacity anticorrelated 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.

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.

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.

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

The dysfunction of many RNA-binding proteins (RBPs) that are heavily disordered, including TDP-43 and FUS, are implicated in amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia (ALS/FTD). These proteins serve many important roles in the cell, and their capacity to form biomolecular condensates (BMCs) is key to their function, but also a vulnerability that can lead to misregulation and disease. Matrin-3 (MATR3) is an intrinsically disordered RBP implicated both genetically and pathologically in ALS/FTD, though it is relatively understudied as compared with TDP-43 and FUS. In addition to binding RNA, MATR3 also binds DNA and is implicated in many cellular processes including the DNA damage response, transcription, splicing, and cell differentiation. It is unclear if MATR3 localizes to BMCs under physiological conditions, which is brought further into question due to its lack of a prion-like domain. Here, we review recent studies regarding MATR3 and its roles in numerous physiological processes, as well as its implication in a range of diseases.