Abstract Background Splicing factor proline and glutamine rich (SFPQ, also known as polypyrimidine tract-binding protein-associated-splicing factor, PSF) is a RNA-DNA binding protein with roles in key cellular pathways such as DNA transcription and repair, RNA processing and paraspeckle formation. Dysregulation of SFPQ is emerging as a common pathological feature of multiple neurodegenerative diseases including amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Increased retention of SFPQ intron nine and nuclear loss of the protein have been linked to multiple genetic subtypes of ALS. Consequently, SFPQ dysregulation has been hypothesised to be a common pathological feature of this highly heterogeneous disease. Methods This study provides a comprehensive assessment of SFPQ pathology in large ALS patient cohorts. SFPQ gene expression and intron nine retention were examined in multiple neuroanatomical regions and blood from ALS patients and control individuals using RNA sequencing (RNA-Seq) and quantitative PCR (RT-qPCR). SFPQ protein levels were assessed by immunoblotting of patient and control motor cortex and SFPQ expression pattern was examined by immunofluorescent staining of patient and control spinal cord sections. Finally, whole-genome sequencing data from a large cohort of sporadic ALS patients was analysed for genetic variation in SFPQ . Results SFPQ intron nine retention was significantly increased in ALS patient motor cortex. Total SFPQ mRNA expression was significantly downregulated in ALS patient motor cortex but not ALS patient blood, indicating tissue specific SFPQ dysregulation. At the protein level, nuclear expression of SFPQ in both control and patient spinal motor neurons was highly variable and nuclear depletion of SFPQ was not a consistent feature in our ALS cohort. However, we did observe SFPQ-positive cytoplasmic ubiquitinated protein aggregates in ALS spinal motor neurons. In addition, our genetic screen of ALS patients identified two novel, and two rare sequence variants in SFPQ not previously reported in ALS. Conclusions This study shows that dysregulation of SFPQ is a feature of ALS patient central nervous system tissue. These findings confirm SFPQ pathology as a feature of ALS and indicate that investigations into the functional consequences of this pathology will provide insight into the biology of ALS.

ABSTRACT Mutations in the superoxide dismutase 1 ( SOD1 ) gene are the second most common known cause of ALS. SOD1 variants express high phenotypic variability and over 200 have been reported in people with ALS. Investigating how different SOD1 variants affect the protein dynamics might help in understanding their pathogenic mechanism and explaining their heterogeneous clinical presentation. It was previously proposed that variants can be broadly classified in two groups, ‘wild-type like’ (WTL) and ‘metal binding region’ (MBR) variants, based on their structural location and biophysical properties. MBR variants are associated with a loss of SOD1 enzymatic activity. In this study we used molecular dynamics and large clinical datasets to characterise the differences in the structural and dynamic behaviour of WTL and MBR variants with respect to the wild-type SOD1, and how such differences influence the ALS clinical phenotype. Our study identified marked structural differences, some of which are observed in both variant groups, while others are group specific. Moreover, applying graph theory to a network representation of the proteins, we identified differences in the intramolecular contacts of the two classes of variants. Finally, collecting clinical data of approximately 500 SOD1 ALS patients carrying variants from both classes, we showed that the survival time of patients carrying an MBR variant is generally longer (~6 years median difference, p < 0.001) with respect to patients with a WTL variant. In conclusion, our study highlights key differences in the dynamic behaviour of the WTL and MBR SOD1 variants, and wild-type SOD1 at an atomic and molecular level. We identified interesting structural features that could be further investigated to explain the associated phenotypic variability. Our results support the hypothesis of a decoupling between mechanisms of onset and progression of SOD1 ALS, and an involvement of loss-of-function of SOD1 with the disease progression.

Abstract Mutations in the UBQLN2 gene cause X-linked dominant amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and/or frontotemporal dementia (FTD) characterised by ubiquilin 2 aggregates in neurons of the motor cortex, hippocampus, and spinal cord. However, ubiquilin 2 neuropathology is also seen in sporadic and familial ALS or FTD cases not caused by UBQLN2 mutations, particularly C9orf72 -linked cases. This makes the mechanistic role of ubiquilin 2 mutations and the value of ubiquilin 2 pathology for predicting genotype unclear. Here we examine a cohort of 41 genotypically diverse ALS cases with or without FTD, including five cases with UBQLN2 variants (resulting in p.S222G, p.P497H, p.P506S, and two cases with p.T487I). Using multiplexed (5-label) fluorescent immunohistochemistry, we mapped the co-localisation of ubiquilin 2 with phosphorylated TDP-43 (pTDP-43), dipeptide repeat aggregates, and p62, in the hippocampus of controls (n=5), or ALS with or without FTD in sporadic (n=20), unknown familial (n=3), SOD1 -linked (n=1), FUS -linked (n=1), C9orf72 -linked (n=5), and UBQLN2 -linked (n=5) cases. We differentiate between i) ubiquilin 2 aggregation together with pTDP-43 or dipeptide repeat proteins, and ii) ubiquilin 2 self-aggregation promoted by UBQLN2 gene mutations that cause ALS/FTD. Overall, we describe a hippocampal protein aggregation signature that fully distinguishes mutant from wildtype ubiquilin 2 in ALS with or without FTD, whereby mutant ubiquilin 2 is more prone than wildtype to aggregate independently of driving factors. This neuropathological signature can be used to assess the pathogenicity of UBQLN2 gene variants and to understand the mechanisms of UBQLN2 -linked disease.

Identification of genomic regions that are identical by descent (IBD) has proven useful for human genetic studies where analyses have led to the discovery of familial relatedness and fine-mapping of disease critical regions. Unfortunately however, IBD analyses have been underutilized in analysis of other organisms, including human pathogens. This is in part due to the lack of statistical methodologies for non-diploid genomes in addition to the added complexity of multiclonal infections. As such, we have developed an IBD methodology, called isoRelate, for analysis of haploid recombining microorganisms in the presence of multiclonal infections. Using the inferred IBD status at genomic locations, we have also developed a novel statistic for identifying loci under positive selection and propose relatedness networks as a means of exploring shared haplotypes within populations. We evaluate the performance of our methodologies for detecting IBD and selection, including comparisons with existing tools, then perform an exploratory analysis of whole genome sequencing data from a global Plasmodium falciparum dataset of more than 2500 genomes. This analysis identifies Southeast Asia as having many highly related isolates, possibly as a result of both reduced transmission from intensified control efforts and population bottlenecks following the emergence of antimalarial drug resistance. Many signals of selection are also identified, most of which overlap genes that are known to be associated with drug resistance, in addition to two novel signals observed in multiple countries that have yet to be explored in detail. Additionally, we investigate relatedness networks over the selected loci and determine that one of these sweeps has spread between continents while the other has arisen independently in different countries. IBD analysis of microorganisms using isoRelate can be used for exploring population structure, positive selection and haplotype distributions, and will be a valuable tool for monitoring disease control and elimination efforts of many diseases.

Summary TRIBES is a user-friendly pipeline for relatedness detection in genomic data. TRIBES is the first tool which is both accurate up to 7th degree relatives (e.g. third cousins) and combines essential data processing steps into a single user-friendly pipeline. Furthermore, using a proof-of-principle cohort comprising amyotrophic lateral sclerosis cases with known relationship structures and a known causal mutation in SOD1 , we demonstrated that TRIBES can successfully uncover disease susceptibility loci. TRIBES has multiple applications in addition to disease gene mapping, including sample quality control in genome wide association studies and avoiding consanguineous unions in family planning.Availability TRIBES is freely available on GitHub: Contact natalie.twine{at}csiro.auSupplementary information XXXX

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder characterised by the loss of upper and lower motor neurons resulting in paralysis and eventual death. Approximately 10% of ALS cases have a family history of disease, while the remaining cases present as apparently sporadic. Heritability studies suggest a significant genetic component to sporadic ALS, and although most sporadic cases have an unknown genetic etiology, some familial ALS mutations have also been found in sporadic cases. This suggests that some sporadic cases may be unrecognised familial cases with reduced disease penetrance. Identifying a familial basis of disease in apparently sporadic ALS cases has significant genetic counselling implications for immediate relatives. A powerful strategy to uncover a familial link is identity-by-descent (IBD) analysis which detects genomic regions that have been inherited from a common ancestor. We performed IBD analysis on 90 Australian familial ALS cases from 25 families and three sporadic ALS cases, each of whom carried one of three SOD1 mutations (p.I114T, p.V149G and p.E101G). We identified five unique haplotypes that carry these mutations in our cohort, indicative of five founder events. This included two different haplotypes that carry SOD1 p.I114T, where one haplotype was present in one sporadic case and 20 families, while the second haplotype was found in the remaining two sporadic cases and one family, thus linking these familial and sporadic cases. Furthermore, we linked two families that carry SOD1 p.V149G and found that SOD1 p.E101G arose independently in each family that carries this mutation.