Amyotrophic lateral sclerosis is the most common motor neuron disease and is still incurable. The mechanisms leading to the selective motor neuron vulnerability are still not known. The interplay between motor neurons and astrocytes is crucial in the outcome of the disease. We show that mutant copper-zinc superoxide dismutase (SOD1) overexpression in primary astrocyte cultures is associated with decreased levels of proteins involved in secretory pathways. This is linked to a general reduction of total secreted proteins, except for specific enrichment in a number of proteins in the media, such as mutant SOD1 and valosin-containing protein (VCP)/p97. Because there was also an increase in exosome release, we can deduce that astrocytes expressing mutant SOD1 activate unconventional secretory pathways, possibly as a protective mechanism. This may help limit the formation of intracellular aggregates and overcome mutant SOD1 toxicity. We also found that astrocyte-derived exosomes efficiently transfer mutant SOD1 to spinal neurons and induce selective motor neuron death. We conclude that the expression of mutant SOD1 has a substantial impact on astrocyte protein secretion pathways, contributing to motor neuron pathology and disease spread.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a debilitating motor neuron disease and lacks effective disease-modifying treatments. This study utilizes a comprehensive multiomic approach to investigate the early and sex-specific molecular mechanisms underlying ALS. By analyzing the prefrontal cortex of 51 patients with sporadic ALS and 50 control subjects, alongside four transgenic mouse models (C9orf72-, SOD1-, TDP-43-, and FUS-ALS), we have uncovered significant molecular alterations associated with the disease. Here, we show that males exhibit more pronounced changes in molecular pathways compared to females. Our integrated analysis of transcriptomes, (phospho)proteomes, and miRNAomes also identified distinct ALS subclusters in humans, characterized by variations in immune response, extracellular matrix composition, mitochondrial function, and RNA processing. The molecular signatures of human subclusters were reflected in specific mouse models. Our study highlighted the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway as an early disease mechanism. We further demonstrate that trametinib, a MAPK inhibitor, has potential therapeutic benefits in vitro and in vivo, particularly in females, suggesting a direction for developing targeted ALS treatments.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most common motor neuron disease and lacks effective disease-modifying treatments. Here, we performed a multiomic analysis of the prefrontal cortex of 51 patients with sporadic ALS and 50 control subjects, as well as four transgenic mouse models of C9orf72-, SOD1-, TDP-43-, and FUS-ALS to characterize early and sex-specific disease mechanisms in ALS. Integrated analyses of transcriptomes, (phospho)proteomes, and miRNAomes revealed more pronounced changes in males. We identified transcriptome-based human ALS subclusters driven by the immune response, ECM, mitochondrial respiration, and RNA metabolism. The molecular signatures of human subclusters were reflected in specific mouse models. Individual and integrative multiomics analysis highlighted the mitogen-activated protein kinase pathway as an early disease-relevant mechanism. Its modulation by trametinib in vitro and in vivo validated that mitogen-activated protein kinase kinase 2 is a promising therapeutic target with beneficial effects in females.

Abstract Aggregation and cytoplasmic mislocalization of TDP-43 are pathological hallmarks of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) spectrum. However, the molecular mechanism by which TDP-43 aggregates form and cause neurodegeneration remains poorly understood. Cyclophilin A, also known as peptidyl-prolyl cis-trans isomerase A (PPIA), is a foldase and molecular chaperone. We previously found that PPIA interacts with TDP-43 and governs some of its functions, and its deficiency accelerates disease in a mouse model of ALS. Here we characterized PPIA knock-out mice throughout their lifespan and found that they develop a neurodegenerative disease with key behavioural features of FTD, marked TDP-43 pathology and late-onset motor dysfunction. In the mouse brain, deficient PPIA induces aggregation of the GTP-binding nuclear protein Ran, a PPIA substrate required for TDP-43 nucleocytoplasmic trafficking. Moreover, in absence of PPIA, TDP-43 autoregulation is perturbed and TDP-43 and proteins involved in synaptic function are downregulated, leading to impairment of synaptic plasticity. Finally, we found that PPIA was downregulated in several ALS and ALS-FTD patients and identified a PPIA loss-of-function mutation in a sporadic ALS patient. The mutant PPIA has low stability, altered structure and impaired interaction with TDP-43. These findings strongly implicate that defective PPIA function causes TDP-43 mislocalization and dysfunction and should be considered in future therapeutic approaches.

Variability in disease onset and progression is a hallmark of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), both in sporadic and genetic forms. Recently, we found that SOD1-G93A transgenic mice expressing the same amount of mutant SOD1 but with different genetic backgrounds, C57BL/6JOlaHsd and 129S2/SvHsd, show slow and rapid muscle wasting and disease progression, respectively. Here, we investigated the different molecular mechanisms underlying muscle atrophy. Although both strains showed similar denervation-induced degradation of muscle proteins, only the rapidly progressing mice exhibited early and sustained STAT3 activation that preceded atrophy in gastrocnemius muscle. We therefore investigated the therapeutic potential of sunitinib, a tyrosine kinase inhibitor known to inhibit STAT3 and prevent cancer-induced muscle wasting. Although sunitinib treatment reduced STAT3 activation in the gastrocnemius muscle and lumbar spinal cord, it did not preserve spinal motor neurons, improve neuromuscular impairment, muscle atrophy and disease progression in the rapidly progressing SOD1-G93A mice. Thus, the effect of sunitinib is not equally positive in different diseases associated with muscle wasting. Moreover, given the complex role of STAT3 in the peripheral and central compartments of the neuromuscular system, the present study suggests that its broad inhibition may lead to opposing effects, ultimately preventing a potential positive therapeutic action in ALS.

Abstract In preclinical studies the anti-inflammatory drug colchicine, which has never been tested in amyotrophic lateral sclerosis, enhanced the expression of autophagy factors and inhibited accumulation of Transactive response DNA binding Protein 43 kDa (TDP-43), a known histopathological marker of amyotrophic lateral sclerosis. This multicenter, randomized, double-blind trial, enrolled patients with probable or definite amyotrophic lateral sclerosis who experienced symptoms onset within the past 18 months. Patients were randomly assigned in a 1:1:1 ratio to receive colchicine at a dose of 0.005 mg/kg/day, 0.01 mg/kg/day or placebo for a treatment period of 30 weeks. The number of positive responders, defined as patients with a decrease lesser than 4 points in the Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale-Revised (ALSFRS-R) total score during the 30 weeks treatment period, was the primary outcome. Disease progression, survival, safety and quality of life at the end of treatment were the secondary clinical outcome. Secondary biological outcomes included changes from baseline to treatment end of stress granule and autophagy responses, (TDP-43), neurofilament accumulation and extracellular vesicles secretion, between colchicine and placebo groups. Fifty-four patients were randomized to receive colchicine (n=18 for each colchicine arm) or placebo (n=18). The number of positive responders did not differ between placebo and colchicine groups: 2 out of 18 patients (11.1%) in placebo group; 5 out 18 patients (27.8%) in colchicine 0.005 mg/kg/day group (OR=3.1, 97.5%CI 0.4 to 37.2, p=0.22) and in 1 out 18 patients (5.6%) in colchicine 0.01 mg/kg/day group (OR=0.5, 97.5%CI 0.01 to 10.2, p=0.55). During treatment, a slower Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale-Revised decline was detected in patients receiving colchicine 0.005 mg/kg/d (MD=0.53,97.5%CI:0.07 to 0.99, p=0.011). Eight patients experienced adverse events in placebo arm (44.4%), 3 in colchicine 0.005 mg/kg/day (16.7%) and 7 in colchicine 0.01 mg/kg/day arm (35.9%). The differences in adverse events were not statistically significant. In conclusion, colchicine treatment was safe for amyotrophic lateral sclerosis patients. Further studies are required to better understand mechanisms of action and clinical effects of colchicine in this condition.

Abstract The lectin pathway (LP) of complement mediates inflammatory processes linked to tissue damage and loss of function following traumatic brain injury (TBI). LP activation triggers a cascade of proteolytic events initiated by LP specific enzymes called MASPs (for Mannan-binding lectin Associated Serine Proteases). Elevated serum and brain levels of MASP-2, the effector enzyme of the LP, were previously reported to be associated with the severity of tissue injury and poor outcomes in patients with TBI. To evaluate the therapeutic potential of LP inhibition in TBI, we first conducted a pilot study testing the effect of an inhibitory MASP-2 antibody (α-MASP-2), administered systemically at 4 and 24 h post-TBI in a mouse model of controlled cortical impact (CCI). Treatment with α-MASP-2 reduced sensorimotor and cognitive deficits for up to 5 weeks post-TBI. As previous studies by others postulated a critical role of MASP-1 in LP activation, we conducted an additional study that also assessed treatment with an inhibitory MASP-1 antibody (α-MASP-1). A total of 78 mice were treated intraperitoneally with either α-MASP-2, or α-MASP-1, or an isotype control antibody 4 h and 24 h after TBI or sham injury. An amelioration of the cognitive deficits assessed by Barnes Maze, prespecified as the primary study endpoint, was exclusively observed in the α-MASP-2-treated group. The behavioral data were paralleled by a reduction of the lesion size when evaluated histologically and by reduced systemic LP activity. Our data suggest that inhibition of the LP effector enzyme MASP-2 is a promising treatment strategy to limit neurological deficits and tissue loss following TBI. Our work has translational value because a MASP-2 antibody has already completed multiple late-stage clinical trials in other indications and we used a clinically relevant treatment protocol testing the therapeutic mechanism of MASP-2 inhibition in TBI.