Summary Mutations in the RNA binding protein (RBP) FUS cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and result in its nuclear depletion and cytoplasmic mislocalisation, with cytoplasmic gain of function thought to be crucial in pathogenesis. Here, we show that expression of mutant FUS at physiological levels drives translation inhibition in both mouse and human motor neurons. Rather than acting directly on the translation machinery, we find that mutant FUS forms cytoplasmic condensates that promote the phase separation of FMRP, another RBP associated with neurodegeneration and robustly involved in translation regulation. FUS and FMRP co-partition and repress translation in vitro . In our in vivo model, FMRP RNA targets are depleted from ribosomes. Our results identify a novel paradigm by which FUS mutations favour the condensed state of other RBPs, impacting on crucial biological functions, such as protein translation.

Abstract Mutations in the RNA-binding protein FUS cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a devastating neurodegenerative disease in which the loss of motor neurons induces progressive weakness and death from respiratory failure, typically only 3-5 years after onset. FUS plays a role in numerous aspects of RNA metabolism, including mRNA splicing. However, the impact of ALS-causative mutations on splicing has not been fully characterised, as most disease models have been based on FUS overexpression, which in itself alters its RNA processing functions. To overcome this, we and others have recently created knock-in models, and have generated high depth RNA-sequencing data on FUS mutants in parallel to FUS knockout. We combined three independent datasets with a joint modelling approach, allowing us to compare the mutation-induced changes to genuine loss of function. We find that FUS ALS-mutations induce a widespread loss of function on expression and splicing, with a preferential effect on RNA binding proteins. Mutant FUS induces intron retention changes through RNA binding, and we identify an intron retention event in FUS itself that is associated with its autoregulation. Altered FUS regulation has been linked to disease, and intriguingly, we find FUS autoregulation to be altered not only by FUS mutations, but also in other genetic forms of ALS, including those caused by TDP-43, VCP and SOD1 mutations, supporting the concept that multiple ALS genes interact in a regulatory network.

ABSTRACT Mutations in the RNA-binding protein (RBPs) FUS have been genetically associated with the motoneuron disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Using both human induced pluripotent stem cells and mouse models, we found that FUS-ALS causative mutations affect the activity of two relevant RBPs with important roles in neuronal RNA metabolism: HuD/ELAVL4 and FMRP. Mechanistically, mutant FUS leads to upregulation of HuD protein levels through competition with FMRP for HuD mRNA 3’UTR binding. In turn, increased HuD levels overly stabilize the transcript levels of its targets, NRN1 and GAP43. As a consequence, mutant FUS motoneurons show increased axon branching and growth upon injury, which could be rescued by dampening NRN1 levels. Since similar phenotypes have been previously described in SOD1 and TDP-43 mutant models, increased axonal growth and branching might represent broad early events in the pathogenesis of ALS.

ABSTRACT Mutations in RNA binding proteins (RBPs) have been linked to the motor neuron disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Extensive auto-regulation, cross-regulation, cooperation and competition mechanisms among RBPs are in place to ensure proper expression levels of common targets, often including other RBPs and their own transcripts. Moreover, several RBPs play a crucial role in the nervous system by localizing target RNAs in specific neuronal compartments. These include the RBPs FUS, FMRP and HuD. ALS mutations in a given RBP are predicted to produce a broad impact on such delicate equilibrium. Here we studied the effects of the severe FUS-P525L mutation on common FUS and FMRP targets. Expression profiling by digital color-coded molecular barcoding in cell bodies and neurites of human iPSC-derived motor neurons revealed altered levels of transcripts involved in cytoskeleton, neural projection and synapses. One of the common targets is HuD, which is upregulated because of the loss of FMRP binding to its 3’UTR due to mutant FUS competition. Notably, many genes are commonly altered upon FUS mutation or HuD overexpression, suggesting that a substantial part of the effects of mutant FUS on the motor neuron transcriptome could be due to HuD gain-of-function. Among altered transcripts we also identified other common FUS and FMRP targets, namely MAP1B, PTEN, and AP2B1, that are upregulated upon loss of FMRP binding on their 3’UTR in FUS-P525L motor neurons. This work demonstrates that the impairment of FMRP function by mutant FUS might alter the expression of several genes, including new possible biomarkers and therapeutic targets for ALS.

ABSTRACT Early defects at the neuromuscular junction (NMJ) are among the first hallmarks of the progressive neurodegenerative disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS). According to the “dying back” hypothesis, disruption of the NMJ not only precedes, but is also a trigger for the subsequent degeneration of the motoneuron. However, the pathogenic mechanisms linking genetic and environmental factors to NMJ defects remain elusive. Here we show that increased expression of the neural RNA binding protein HuD (ELAVL4) at the presynaptic level is sufficient to cause NMJ defects and trigger apoptosis in co-cultures of motoneurons and skeletal muscle derived from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). These phenotypes are strikingly similar to those caused by the severe FUS P525L variant. Moreover, HuD knock-down in motoneurons reverts the adverse effects of the FUS P525L mutation in iPSC-derived co-cultures. These findings were validated in vivo by taking advantage of a Drosophila model, where neuronal-restricted overexpression of the HuD-related gene, elav , exacerbates the effects of FUS expression and produces per se a motor phenotype. Notably, in this fly model, neuronal-restricted elav knockdown significantly rescues motor dysfunction caused by FUS. Finally, we show that HuD levels are increased upon oxidative stress in human motoneurons, and in sporadic ALS patients with a signature related to oxidative stress. On these bases, we propose HuD as a key protein involved in causing early pathogenic alterations and offers a potential new therapeutic target for early intervention aimed at the NMJ in ALS.