Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and spinal muscular atrophy (SMA) are the most common motoneuron diseases affecting adults and infants, respectively. ALS and SMA are both characterized by the selective degeneration of motoneurons. Although different in their genetic etiology, growing evidence indicate that they share molecular and cellular pathogenic signatures that constitute potential common therapeutic targets. We previously described a motoneuron-specific death pathway elicited by the Fas death receptor, whereby vulnerable ALS motoneurons show an exacerbated sensitivity to Fas activation. However, the mechanisms that drive the loss of SMA motoneurons remains poorly understood. Here, we describe an in vitro model of SMA-associated degeneration using primary motoneurons derived from Smn 2B/- SMA mice and show that Fas activation selectively triggers death of the proximal motoneurons. Fas-induced death of SMA motoneurons has the molecular signature of the motoneuron-selective Fas death pathway that requires activation of p38 kinase, caspase-8, -9 and -3 as well as upregulation of collapsin response mediator protein 4 (CRMP4). In addition, Rho Kinase (ROCK) is required for Fas recruitment. Remarkably, we found that exogenous activation of Fas also promotes axonal elongation in both wildtype and SMA motoneurons. Axon outgrowth of motoneurons promoted by Fas requires the activity of ERK, ROCK and caspases. This work defines a dual role of Fas signaling in motoneurons that can elicit distinct responses from cell death to axonal growth.

ABSTRACT Spinal muscular atrophy (SMA) is a neuromuscular disorder caused by loss of survival motor neuron (SMN) protein. While SMN restoration therapies are beneficial, they are not a cure. We aimed to identify novel treatments to alleviate muscle pathology combining transcriptomics, proteomics and perturbational datasets. This revealed potential drug candidates for repurposing in SMA. One of the lead candidates, harmine, was further investigated in cell and animal models, improving multiple disease phenotypes, including SMN expression and lifespan. Our work highlights the potential of multiple, parallel data driven approaches for development of novel treatments for use in combination with SMN restoration therapies.

ABSTRACT Spinal muscular atrophy (SMA) is a childhood neuromuscular disorder caused by depletion of the survival motor neuron (SMN) protein. SMA is characterized by the selective death of spinal cord motor neurons, leading to progressive muscle wasting. Loss of skeletal muscle in SMA is a combination of denervation-induced muscle atrophy and intrinsic muscle pathologies. Elucidation of the pathways involved is essential to identify the key molecules that contribute to and sustain muscle pathology. The tumor necrosis factor-like weak inducer of apoptosis (TWEAK)/TNF receptor superfamily member fibroblast growth factor inducible 14 (Fn14) pathway has been shown to play a critical role in the regulation of denervation-induced muscle atrophy as well as muscle proliferation, differentiation and metabolism in adults. However, it is not clear whether this pathway would be important in highly dynamic and developing muscle. We thus investigated the potential role of the TWEAK/Fn14 pathway in SMA muscle pathology, using the severe Taiwanese Smn -/- ;SMN2 and the less severe Smn 2B/- SMA mice, which undergo a progressive neuromuscular decline in the first three post-natal weeks. Here, we report significantly dysregulated expression of the TWEAK/Fn14 pathway during disease progression in skeletal muscle of the two SMA mouse models. In addition, siRNA-mediated Smn knockdown in C2C12 myoblasts suggests a genetic interaction between Smn and the TWEAK/Fn14 pathway. Further analyses of SMA, Tweak -/- and Fn14 -/- mice revealed dysregulated myopathy, myogenesis and glucose metabolism pathways as a common skeletal muscle feature, and providing further evidence in support of a relationship between the TWEAK/Fn14 pathway and Smn. Finally, a pharmacological intervention (Fc-TWEAK) to upregulate the activity of the TWEAK/Fn14 pathway improved disease phenotypes in the two SMA mouse models. Our study provides novel mechanistic insights into the molecular players that contribute to muscle pathology in SMA and into the role of the TWEAK/Fn14 pathway in developing muscle.

Spinal muscular atrophy (SMA) is a neuromuscular disease caused by loss of the survival motor neuron ( SMN ) gene. While there are currently two approved gene-based therapies for SMA, availability, high cost, and differences in patient response indicate that alternative treatment options are needed. Optimal therapeutic strategies will likely be a combination of SMN-dependent and -independent treatments aimed at alleviating symptoms in the central nervous system and peripheral muscles. Krüppel-like factor 15 (KLF15) is a transcription factor that regulates key metabolic and ergogenic pathways in muscle. We have recently reported significant downregulation of Klf15 in muscle of pre-symptomatic SMA mice. Importantly, perinatal upregulation of Klf15 via transgenic and pharmacological methods resulted in improved disease phenotypes in SMA mice, including weight and survival. In the current study, we designed an adeno-associated virus serotype 8 (AAV8) vector to overexpress a codon-optimised Klf15 cDNA under the muscle-specific Spc5-12 promoter (AAV8- Klf15 ). Administration of AAV8- Klf15 to severe Taiwanese Smn −/− ; SMN2 or intermediate Smn 2B/− SMA mice significantly increased Klf15 expression in muscle. We also observed significant activity of the AAV8- Klf15 vector in liver and heart. AAV8-mediated Klf15 overexpression moderately improved survival in the Smn 2B/− model but not in the Taiwanese mice. An inability to specifically induce Klf15 expression at physiological levels in a time- and tissue-dependent manner may have contributed to this limited efficacy. Thus, our work demonstrates that an AAV8-Spc5-12 vector induces high gene expression as early as P2 in several tissues including muscle, heart and liver, but highlights the challenges of achieving meaningful vector-mediated transgene expression of Klf15.

Background: Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating and incurable neurodegenerative disease. Accumulating evidence strongly suggests that intrinsic muscle defects exist and contribute to disease progression, including imbalances in whole-body metabolic homeostasis. We have previously reported that tumour necrosis factor (TNF)-like weak inducer of apoptosis (TWEAK) and fibroblast growth factor inducible 14 (Fn14) are significantly upregulated in skeletal muscle of the SOD1G93A ALS mouse model. While antagonising TWEAK did not impact survival, we did observe positive effects in skeletal muscle. Given that Fn14 has been proposed as the main effector of the TWEAK/Fn14 activity and that Fn14 can act independently from TWEAK in muscle, we suggest that manipulating Fn14 instead of TWEAK in the SOD1G93A ALS mice could lead to differential and potentially improved benefits. Methods: We thus investigated the contribution of Fn14 to disease phenotypes in the SOD1G93A ALS mice. To do so, Fn14 knockout mice (Fn14-/-) were crossed onto the SOD1G93A background to generate SOD1G93A;Fn14-/- mice. Investigations were performed on both unexercised and exercised (rotarod and/or grid test) animals (wild type (WT), Fn14-/-, SOD1G93A and SOD1G93A;Fn14-/-). Results: Here, we firstly confirm that the TWEAK/Fn14 pathway is dysregulated in skeletal muscle of SOD1G93A mice. We then show that Fn14-depleted SOD1G93A mice display an increased lifespan and decreased muscle pathology, without an impact on motor function, and that this is dependent on exposure to exercise. Indeed, we observe that endurance (rotarod) and resistance (grid test) exercises influence the positive effects of Fn14 deletion on survival and muscle phenotypes in SOD1G93A mice, which may be further influenced by genotype and disease state. Conclusions: Our study provides further insights on the different roles of the TWEAK/Fn14 pathway in pathological skeletal muscle and how they can be influenced by age, disease and metabolic state. This is particularly relevant in the ALS field, where combinatorial therapies that include exercise regimens are currently being explored. As such, a better understanding and consideration of the interactions between treatments, muscle metabolism and exercise will be of importance in future studies.

Abstract Dystrophin is a sarcolemmal protein essential for muscle contraction and maintenance, absence of which leads to the devastating muscle wasting disease Duchenne muscular dystrophy (DMD)[1, 2]. Dystrophin has an actin-binding domain [3–5], which specifically binds and stabilises filamentous (F)-actin[6], an integral component of the RhoA-actin-serum response factor (SRF)-pathway[7]. The RhoA-actin-SRF-pathway plays an essential role in circadian signalling whereby the hypothalamic suprachiasmatic nucleus, transmits systemic cues to peripheral tissues, activating SRF and transcription of clock target genes[8, 9]. Given dystrophin binds F-actin and disturbed SRF-signalling disrupts clock entrainment, we hypothesised that dystrophin loss causes circadian deficits. Here we show for the first time alterations in the RhoA-actin-SRF-signalling-pathway, in both dystrophin-deficient myotubes and dystrophic mouse models. Specifically, we demonstrate reduced F/G-actin ratios and nuclear MRTF, dysregulation of core clock and downstream target-genes, and down-regulation of key circadian genes in muscle biopsies from DMD patients harbouring an array of mutations. Further, disrupted circadian locomotor behaviour was observed in dystrophic mice indicative of disrupted SCN signalling, and indeed dystrophin protein was absent in the SCN of dystrophic animals. Dystrophin is thus a critically important component of the RhoA-actin-SRF-pathway and a novel mediator of circadian signalling in peripheral tissues, loss of which leads to circadian dysregulation.

ABSTRACT Spinal muscular atrophy (SMA) is a genetic neuromuscular disorder caused by the reduction of survival of motor neuron (SMN) protein levels. Although three SMN-augmentation therapies are clinically approved that significantly slow down disease progression, they are unfortunately not cures. Thus, complementary SMN-independent therapies that can target key SMA pathologies and that can support the clinically approved SMN-dependent drugs are the forefront of therapeutic development. We have previously demonstrated that prednisolone, a synthetic glucocorticoid (GC) improved muscle health and survival in severe Smn -/- ;SMN2 and intermediate Smn 2B/- SMA mice. However, long-term administration of prednisolone can promote myopathy. We thus wanted to identify genes and pathways targeted by prednisolone in skeletal muscle to discover clinically approved drugs that are predicted to emulate prednisolone’s activities. Using an RNA-sequencing, bioinformatics and drug repositioning pipeline on skeletal muscle from symptomatic prednisolone- treated and untreated Smn -/- ;SMN2 SMA and Smn +/- ;SMN2 healthy mice, we identified molecular targets linked to prednisolone’s ameliorative effects and a list of 580 drug candidates with similar predicted activities. Two of these candidates, metformin and oxandrolone, were further investigated in SMA cellular and animal models, which highlighted that these compounds do not have the same ameliorative effects on SMA phenotypes as prednisolone; however, a number of other important drug targets remain. Overall, our work further supports the usefulness of prednisolone’s potential as a second-generation therapy for SMA, identifies a list of potential SMA drug treatments and highlights improvements for future transcriptomic-based drug repositioning studies in SMA.