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 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.

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.

SPTLC1 encodes a critical subunit of serine palmitoyltransferase, the enzyme catalyzing the first and rate-limiting step in de novo sphingolipid biosynthesis, and mutations in this gene are known to cause hereditary sensory autonomic neuropathy, type 1A . Using exome sequencing, we identified a de novo variant in SPTLC1 resulting in a p.Ala20Ser amino acid change in an individual diagnosed with juvenile-onset amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and confirmed its pathogenicity by showing elevated plasma levels of neurotoxic deoxymethyl-sphinganine. A second case of juvenile-onset ALS arising again from a p.Ala20Ser mutation was later identified, confirming the association of SPTLC1 with this form of motor neuron disease. We also found SPTLC1 mutations in 0.34% of 5,607 ALS cases, and immunohistochemically confirmed the expression of SPTLC1 in spinal cord motor neurons, supporting their role in the pathogenesis of this fatal neurological disease. We corrected the toxicity of deoxymethyl-sphinganine in HEK293FT cells using L-serine supplementation. Our data broaden the phenotype associated with SPTLC1 and suggest that nutritional supplementation with serine may be beneficial if instituted at an early stage among patients carrying mutations in SPTLC1 .

Abstract Background Previously, we identified missense mutations in CCNF that are causative of familial and sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). CCNF encodes for the protein cyclin F, a substrate recognition component of the E3-ubiquitin ligase, SCF cyclin F . We have previously shown that mutations in CCNF cause disruptions to overall protein homeostasis; causing a build-up of ubiquitylated proteins ( 1 ) as well as defects in autophagic machinery ( 2 ). Methods Here, we have used an unbiased proteomic screening workflow using BioID, as well as standard immunoprecipitations to identify novel interaction partners of cyclin F, identifying the interaction between cyclin F and a series of paraspeckle proteins. The homeostasis of these new cyclin F interaction partners, RBM14, NONO and SFPQ were monitored in primary neurons using immunoblotting. In addition, the homeostasis of RBM14 was compared between control and ALS/FTD patient tissue using standard IHC studies. Results Using BioID, we found over 100 putative interaction partners of cyclin F and demonstrated that cyclin F closely associates with a number of essential paraspeckle proteins, which are stress-responsive proteins that have recently been implicated in ALS pathogenesis. We further demonstrate that the turnover of these novel binding partners are defective when cyclin F carries an ALS/FTD-causing mutation. In addition the analysis of RBM14 levels in ALS patient post-mortem tissue revealed that RBM14 levels were significantly reduced in post-mortem ALS patient motor cortex and significantly reduced in the neurons of spinal cord tissue. Conclusion Overall, our data demonstrate that the dysregulation of paraspeckle components may be contributing factors to the molecular pathogenesis of ALS/FTD. Highlights Previously, we identified missense mutations in CCNF that are linked to Amyotrophic lateral sclerosis/Frontotemporal dementia (ALS/FTD) and have shown that a single mutation in cyclin F can cause defects to major protein degradation systems in dividing cells. Cyclin F has very few known interaction partners, many of which have roles in cell cycle progression. Accordingly, we used BioID and mass spectrometry to identify novel binding partners of cyclin F that may reveal insight into the role of cyclin F in neurodegeneration. Mass spectrometry and bioinformatic studies demonstrate that cyclin F interacts with several RNA binding proteins. This includes the essential paraspeckle proteins, RBM14. Notably, this interaction could be validated by standard immunoprecipitations and immunoblotting. Cyclin F could also be found to interact with a series of essential proteins which form the paraspeckle complex. We further evaluated the effect of cyclin F(S621G) on the homeostasis of these novel interaction partners in primary neurons in response to a known paraspeckle inducer, MG132. Notably, we demonstrate significant defects in the homeostasis of RBM14 and SFPQ, but not NONO, when cyclin F carries an S621G mutation. Unlike other paraspeckle proteins, RBM14 levels have not previously been reported in the post-mortem brain and spinal cord of ALS patient post-mortem tissue. Here, we note significant defects in the homeostasis of RBM14 in the post-mortem tissue of ALS patients.