SUMMARY The phenotype of a cell and its underlying molecular state is strongly influenced by extracellular signals, including growth factors, hormones, and extracellular matrix. While these signals are normally tightly controlled, their dysregulation leads to phenotypic and molecular states associated with diverse diseases. To develop a detailed understanding of the linkage between molecular and phenotypic changes, we generated a comprehensive dataset that catalogs the transcriptional, proteomic, epigenomic and phenotypic responses of MCF10A mammary epithelial cells after exposure to the ligands EGF, HGF, OSM, IFNG, TGFB and BMP2. Systematic assessment of the molecular and cellular phenotypes induced by these ligands comprise the LINCS Microenvironment (ME) perturbation dataset, which has been curated and made publicly available for community-wide analysis and development of novel computational methods ( synapse.org/LINCS_MCF10A ). In illustrative analyses, we demonstrate how this dataset can be used to discover functionally related molecular features linked to specific cellular phenotypes.

SUMMARY TDP-43 is a nuclear RNA-binding protein that can undergo liquid-liquid phase separation (LLPS) and forms pathological insoluble aggregates in frontotemporal dementia and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Perturbations of TDP-43 function are linked to mislocalization and neurodegeneration. By studying TDP-43 in vivo , we confirmed for the first time that TDP-43 undergoes LLPS and forms biomolecular condensates in spinal motor neurons (MNs). Importantly, we discovered that interfering with the K136 SUMOylation site of TDP-43 altered its phase separation behavior, reducing cytoplasmic mislocalization and aggregation. Introduction of the ALS-linked mutation G294V did not alter these LLPS characteristics, indicating that posttranslational modifications such as lysine-specific alterations can modulate TDP-43 pathogenesis through regulating phase separation. Altogether, our in vivo characterization of TDP-43 confirms the formation of dynamic nuclear TDP-43 condensates in zebrafish spinal neurons and establishes a critical platform to validate the molecular grammar of phase separation that underpins TDP-43 aggregation in ALS and other proteinopathies.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease most commonly treated with riluzole, a small molecule considered to act at least in part via modulation of glutamatergic neurotransmission. However, riluzole affords only a modest extension of lifespan for people living with ALS and its precise mechanisms of action remain largely unclear. Likewise, the vast majority of ALS cases are characterised by the pathological accumulation of cytoplasmic TDP-43, but the effects of riluzole in an in vivo model of ALS with disease-reminiscent TDP-43 pathology have not been thoroughly studied. We therefore tested the effects of daily riluzole treatment on TDP-43 pathology and disease onset and progression in transgenic mice that inducibly express nuclear localisation sequence (NLS)-deficient human TDP-43 in neurons of the brain and spinal cord (NEFH-tTA/tetO-hTDP-43ΔNLS, 'rNLS', mice). We found that treatment of rNLS mice with riluzole beginning from the first day of hTDP-43ΔNLS expression failed to alter disease onset, disease-associated weight loss or performance on multiple motor behavioural tasks over a 6-week period. Riluzole treatment also did not alter soluble or insoluble TDP-43 protein levels or TDP-43 phosphorylation in rNLS mice. By quantifying levels of key proteins involved in glutamatergic signalling, we identified a dramatic loss in GluA3 protein in the rNLS mice after disease onset, however riluzole was unable to ameliorate this disease-associated molecular phenotype. Finally, we assessed the ability of riluzole to affect disease in a long-term post-disease onset study in rNLS mice, and found that riluzole similarly had no effect on progression of late-stage disease or animal survival. Together, our findings demonstrate that the rNLS mouse model recapitulates glutamatergic receptor alterations reminiscent of ALS, but the approved ALS therapeutic riluzole has no effect on disease phenotypes in these animals. These studies suggest that strategies directly targeting disease-relevant pathways, such as accumulation of TDP-43 pathology, may be needed for development of more effective ALS treatments.

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.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a form of motor neuron disease (MND) that is characterized by the progressive loss of motor neurons within the spinal cord, brainstem and motor cortex. Although ALS clinically manifests as a heterogeneous disease, with varying disease onset and survival, a unifying feature is the presence of ubiquitinated cytoplasmic protein inclusion aggregates containing TDP-43. However, the precise mechanisms linking protein inclusions and aggregation to neuronal loss are currently poorly understood. Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC) takes advantage the association of fluorophore fragments (non-fluorescent on their own) that are attached to an aggregation prone protein of interest. Interaction of the proteins of interest allows for the fluorescent reporter protein to fold into its native state and emit a fluorescent signal. Here, we combined the power of BiFC with the advantages of the zebrafish system to validate, optimize and visualize of the formation of ALS-linked aggregates in real time in a vertebrate model. We further provide in vivo validation of the selectivity of this technique and demonstrate reduced spontaneous self-assembly of the non-fluorescent fragments in vivo by introducing a fluorophore mutation. Additionally, we report preliminary findings on the dynamic aggregation of the ALS-linked hallmark proteins Fus and TDP-43 in their corresponding nuclear and cytoplasmic compartments using BiFC. Overall, our data demonstrates the suitability of this BiFC approach to study and characterize ALS-linked aggregate formation in vivo . Importantly, the same principle can be applied in the context of other neurodegenerative diseases and has therefore critical implications to advance our understanding of pathologies that underlie aberrant protein aggregation.

Abstract Machado-Joseph disease (MJD, also known as spinocerebellar ataxia-3) is a fatal neurodegenerative disease that impairs control and coordination of movement. Here we tested whether treatment with the histone deacetylase inhibitor sodium valproate (SV) prevented a movement phenotype that develops in larvae of a transgenic zebrafish model of the disease. We found that treatment with SV improved the swimming of the MJD zebrafish, increased levels of acetylated histones 3 and 4, but also increased expression of polyglutamine expanded human ataxin-3. Proteomic analysis of protein lysates generated from the treated and untreated MJD zebrafish also predicted that SV treatment had activated the sirtuin longevity signaling pathway and this was confirmed by findings of increased SIRT1 protein levels and sirtuin activity in SV treated MJD zebrafish and HEK293 cells expressing ataxin-3-84Q, respectively. Treatment with resveratrol (another compound known to activate the sirtuin pathway), also improved swimming in the MJD zebrafish. Co-treatment with SV alongside EX527, a SIRT1 activity inhibitor, prevented induction of autophagy by SV and the beneficial effects of SV on the movement in the MJD zebrafish, indicating that they were both dependent on sirtuin activity. These findings provide the first evidence of sodium valproate inducing activation of the sirtuin pathway. Further, they indicate that drugs that target the sirtuin pathway, including sodium valproate and resveratrol, warrant further investigation for the treatment of MJD and related neurodegenerative diseases.

Abstract Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3, also known as Machado Joseph disease) is a fatal neurodegenerative disease caused by expansion of the trinucleotide repeat region within the ATXN3/MJD gene. Mutation of ATXN3 causes formation of ataxin-3 protein aggregates, neurodegeneration and motor deficits. Here we investigated the therapeutic potential and mechanistic activity of sodium butyrate (SB), the sodium salt of butyric acid, a metabolite naturally produced by gut microbiota, on cultured SH-SY5Y cells and transgenic zebrafish expressing human ataxin-3 containing 84 glutamine (Q) residues to model SCA3. SCA3 SH-SY5Y cells were found to contain high molecular weight ataxin-3 species and detergent insoluble protein aggregates. Treatment with SB increased activity of the autophagy protein quality control pathway in the SCA3 cells, decreased presence of ataxin-3 aggregates and presence of high molecular weight ataxin-3 in an autophagy-dependent manner. Treatment with SB was also beneficial in vivo, improving swimming performance, increasing activity of the autophagy pathway and decreasing presence of insoluble ataxin-3 protein species in the transgenic SCA3 zebrafish. Co-treating the SCA3 zebrafish with SB and chloroquine, an autophagy inhibitor, prevented the beneficial effects of SB on zebrafish swimming, indicating that the improved swimming performance was autophagy-dependent. To understand the mechanism by which SB induces autophagy we performed proteomic analysis of protein lysates from the SB treated and untreated SCA3 SH-SY5Y cells. We found that SB treatment had increased activity of Protein Kinase A and AMPK signalling, with immunoblot analysis confirming that SB treatment had increased levels of AMPK protein and its substrates. Together our findings indicate that treatment with SB can increase activity of the autophagy pathway through a PKA/AMPK-dependent process and that this has beneficial effects in vitro and in vivo . We propose that treatment with sodium butyrate warrants further investigation as a potential treatment for neurodegenerative diseases underpinned by mechanisms relating to protein aggregation including SCA3.

Abstract Understanding the mechanisms that drive TDP-43 pathology is integral to combating neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD). To address this, we sought to determine the timeline of proteomic alterations across disease course in TDP-43 proteinopathy. Using longitudinal quantitative proteomics analysis of cortex samples from the cytoplasmic TDP-43 rNLS8 mouse model of ALS and FTLD, we identified several distinct protein subsets characterized by temporal alterations in protein abundance across diverse biological pathways, including protein folding, intracellular transport, myelination, and neuronal synaptic function. Remarkably, neurons in the rNLS8 cortex elicited a transitory response primarily comprising protein-folding factors prior to and in the earliest stages of disease progression. This response included increased levels of DnaJ homolog subfamily B member 5, DNAJB5, and proof-of-concept studies showed that DNAJB5 over-expression decreased TDP-43 aggregation in cell and cortical neuron cultures. Conversely, knockout of Dnajb5 exacerbated motor impairments caused by AAV-mediated cytoplasmic TDP-43 expression in the brains and spinal cords of mice. Lastly, the late disease proteomic signatures of rNLS8 mouse cortex strongly correlated with changes in human autopsy-derived TDP-43 proteinopathy tissues, indicating commonality of disease processes. Together, these findings reveal molecular mechanisms that regulate protein levels through distinct stages of ALS and FTLD progression, and suggest that protein folding factors that combat cytoplasmic TDP-43 protein aggregation could be protective in disease. Highlights The first longitudinal map of the cortex proteome throughout TDP-43-driven disease in a mouse model of cytoplasmic TDP-43 proteinopathy (rNLS8 mice). Cytoplasmic TDP-43 accumulation drives many dynamic changes to the cortex proteome, including increases in protein folding factors prior to disease onset. The protein folding factor DNAJB5 decreases TDP-43 aggregation in HEK293 cells and primary cortical neurons and Dnajb5 knockout exacerbates cytoplasmic TDP-43-associated motor impairments in vivo . The proteomic signature of the rNLS8 mouse cortex correlates strongly with postmortem brain tissue from human TDP-43 proteinopathies. A new webtool, ‘TDP-map’ ( https://shiny.rcc.uq.edu.au/TDP-map/ ), allows comparison of transcriptomic and proteomic datasets from mouse and human TDP-43 proteinopathy.