Abstract Frontotemporal dementia (FTD) is the second most common cause of dementia in patients under 65 years, characterized by diverse clinical symptoms, neuropathologies, and genetic background. Synaptic dysfunction is suggested to play a major role in FTD pathogenesis. Disturbances in the synaptic function can also be associated with the C9orf72 repeat expansion (C9-HRE), the most common genetic mutation causing FTD. C9-HRE leads to distinct pathological hallmarks, such as C9orf72 haploinsufficiency and development of toxic RNA foci and dipeptide repeat proteins (DPRs). FTD patient brains, including those carrying the C9-HRE, are also characterized by neuropathologies involving accumulation of TDP-43 and p62/SQSTM1 proteins. This study utilized induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cortical neurons from C9-HRE-carrying or sporadic FTD patients and healthy control individuals. We report that the iPSC neurons derived from C9-HRE carriers developed typical C9-HRE-associated hallmarks, including RNA foci and DPR accumulation. All FTD neurons demonstrated increased TDP-43 nucleus-to-cytosolic shuttling and p62/SQSTM1 accumulation, and changes in nuclear size and morphology. In addition, the FTD neurons displayed reduced number and altered morphologies of dendritic spines and significantly altered synaptic function indicated by a decreased response to stimulation with GABA. These structural and functional synaptic disturbances were accompanied by upregulated gene expression in the FTD neurons related to synaptic function, including synaptic signaling, glutamatergic transmission, and pre- and postsynaptic membrane, as compared to control neurons. Pathways involved in DNA repair were significantly downregulated in FTD neurons. Only one gene, NUPR2, potentially involved in DNA damage response, was differentially expressed between the sporadic and C9-HRE-carrying FTD neurons. Our results show that the iPSC neurons from FTD patients recapitulate pathological changes of the FTD brain and strongly support the hypothesis of synaptic dysfunction as a crucial contributor to disease pathogenesis in FTD.

Abstract Long C9orf72 hexanucleotide repeat expansions (C9-HRE) are the most common genetic cause of frontotemporal dementia (FTD), a group of neurodegenerative syndromes leading to cognitive dysfunction and frontal and temporal atrophy. FTD is a potential comorbidity of idiopathic normal pressure hydrocephalus (iNPH) and carrying the C9-HRE can modify the age-of-onset in iNPH patients. While intermediate-length C9-HRE (<30 repeats) are often considered non-pathogenic, the exact pathological cutoff is unclear. In this study, we assessed whether fibroblasts from iNPH patients carrying intermediate C9-HRE display C9-HRE-associated pathological hallmarks and changes in cellular function. C9-HRE-associated RNA foci were not detected in the intermediate carriers. The number of p62-positive puncta was significantly increased only in long C9-HRE carrier fibroblasts, in line with p62-positive intracellular inclusions observed in a brain biopsy from the patient. Specific parameters of mitochondrial respiration were significantly reduced in both the long and intermediate C9-HRE carrier fibroblasts. Fibroblasts from the intermediate C9-HRE carriers showed upregulated glycolytic activity, possibly to counteract the reduced mitochondrial respiration, which could not be observed in the long C9-HRE carriers. In conclusion, these data suggest that while the long C9-HRE leads to more severe cellular pathologies than intermediate C9-HRE, the latter might predispose cells to pathological changes.

Abstract C9orf72 hexanucleotide repeat expansion (HRE) is a major genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. The role of microglia in these C9orf72 HRE-associated diseases is understudied. To elucidate effects of C9orf72 HRE on microglia, we have characterized human induced pluripotent stem cell-derived microglia (iMG) from behavioral variant frontotemporal dementia (bvFTD) patients carrying the C9orf72 HRE. C9orf72 HRE iMG were compared to iMG from healthy controls and sporadic bvFTD patients. The phenotypes of iMG were analyzed using bulk RNA sequencing, biochemical and immunofluorescence analyses, and live cell imaging. C9orf72 HRE-carrying iMG showed nuclear RNA foci and poly-GP dipeptide repeat proteins but no decreased C9orf72 mRNA or protein expression. TDP-43 pathology was absent from all bvFTD iMG. As compared to healthy control iMG, quantitative immunofluorescence analyses indicated that all bvFTD iMG had reduced number, size, and intensity of LAMP2-A-positive vesicles. C9orf72 HRE-carrying iMG additionally showed decreased number, size, and intensity of p62/SQSTM1-positive vesicles. These changes were accompanied by increased phagocytic activity of the C9orf72 HRE-carrying iMG. Serum starvation increased phagocytic activity also in the iMG of sporadic bvFTD patients. RNA sequencing revealed that iMG of C9orf72 HRE-carrying bvFTD patients as compared to the iMG of sporadic bvFTD patients showed differential gene expression in pathways related to RNA and protein regulation and mitochondrial metabolism. Our data suggest potential alterations in the autophagosomal/lysosomal pathways in bvFTD patient iMG, which are further reinforced by the C9orf72 HRE and functionally manifest as increased phagocytic activity.

SUMMARY Loss-of-function of the mRNA export protein GANP ( MCM3AP gene) cause early-onset sensorimotor neuropathy, characterised by axonal degeneration in long peripheral nerves. GANP functions as a scaffold at nuclear pore complexes, contributing to selective nuclear export of mRNAs. Here, we aimed to identify motor neuron specific transcripts that are regulated by GANP and may be limiting for local protein synthesis in motor neuron axons. We compared motor neurons with a gene edited mutation in the Sac3 mRNA binding domain of GANP to isogenic controls. We also examined patient-derived motor neurons. RNA sequencing of motor neurons as well as nuclear and axonal subcompartments showed that mutant GANP had a profound effect on motor neuron transcriptomes, with alterations in nearly 40 percent of all expressed genes and broad changes in splicing. Expression changes in multiple genes critical for neuronal functions, combined with compensatory upregulation of protein synthesis and early-stage metabolic stress genes, indicated that RNA metabolism was abnormal in GANP-deficient motor neurons. Surprisingly, limited evidence was found for large-scale nuclear retention of mRNA. This first study of neuropathy-linked GANP defects in human motor neurons shows that GANP has a wide gene regulatory role in a disease-relevant cell type that requires long-distance mRNA transport.