MicroRNAs play important roles in cell differentiation by acting as translational inhibitors of specific target genes. Here we show that human granulocytic differentiation is controlled by a regulatory circuitry involving miR-223 and two transcriptional factors, NFI-A and C/EBPα. The two factors compete for binding to the miR-223 promoter: NFI-A maintains miR-223 at low levels, whereas its replacement by C/EBPα, following retinoic acid (RA)-induced differentiation, upregulates miR-223 expression. The competition by C/EBPα and the granulocytic differentiation are favored by a negative-feedback loop in which miR-223 represses NFI-A translation. In line with this, both RNAi against NFI-A and ectopic expression of miR-223 in acute promyelocytic leukemia (APL) cells enhance differentiation, whereas miR-223 knockdown inhibits the differentiation response to RA. Altogether, our data indicate that miR-223 plays a crucial role during granulopoiesis and point to the NFI-A repression as an important molecular pathway mediating gene reprogramming in this cell lineage.

Abstract The RNA-binding protein FUS participates in several RNA biosynthetic processes and has been linked to the pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia. Here we report that FUS controls back-splicing reactions leading to circular RNA (circRNA) production. We identified circRNAs expressed in in vitro -derived mouse motor neurons (MNs) and determined that the production of a considerable number of these circRNAs is regulated by FUS. Using RNAi and overexpression of wild-type and ALS-associated FUS mutants, we directly correlate the modulation of circRNA biogenesis with alteration of FUS nuclear levels and with putative toxic gain of function activities. We also demonstrate that FUS regulates circRNA biogenesis by binding the introns flanking the back-splicing junctions and that this control can be reproduced with artificial constructs. Most circRNAs are conserved in humans and specific ones are deregulated in human-induced pluripotent stem cell-derived MNs carrying the FUS P525L mutation associated with ALS.

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 Fragile X syndrome (FXS) is a neurodevelopmental disorder, characterized by intellectual disability and sensory deficits, caused by epigenetic silencing of the FMR1 gene and subsequent loss of its protein product, fragile X mental retardation protein (FMRP). Delays in synaptic and neuronal development in the cortex have been reported in FXS mouse models, however, the main goal of translating lab research into pharmacological treatments in clinical trials has been so far largely unsuccessful, leaving FXS a still incurable disease. Here, we generated 2D and 3D in vitro human FXS model systems based on isogenic FMR1 knock-out mutant and wild-type human induced pluripotent stem cell (hiPSC) lines. Phenotypical and functional characterization of cortical neurons derived from FMRP-deficient hiPSCs display altered gene expression and impaired differentiation when compared with the healthy counterpart. FXS cortical cultures show increased proliferation of GFAP positive cells, likely astrocytes, increased spontaneous network activity and depolarizing GABAergic transmission. Cortical brain organoid models show increased proliferation of glial cells, and bigger organoid size. Our findings demonstrate that FMRP is required to correctly support neuronal and glial cell proliferation, and to set the correct excitation/inhibition ratio in human brain development.

Background: Bulk RNA-Seq has been extensively utilized to investigate the molecular changes accompanying motor neuron degeneration in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). However, due to the heterogeneity and degenerating phenotype of the neurons, it has proved difficult to assign specific changes to neuronal subtypes and identify which factors drive these changes. Consequently, we have utilized single cell transcriptomics of degenerating motor neurons derived from ALS patients to uncover key transcriptional drivers of dysfunctional pathways. Results: Single cell analysis of spinal neuronal cultures derived from ALS and isogenic iPSC allowed us to classify cells into neural subtypes including motor neurons and interneurons. Differential expression analysis between disease and control motor neurons revealed downregulation of genes involved in synaptic structure, neuromuscular junction, neuronal cytoskeleton and mitochondrial function. Interestingly, interneurons did not show similar suppression of these homeostatic functions. Single cell expression data enabled us to derive a context-specific transcriptional network relevant to ALS neurons. Master regulator analysis on this network identified core transcriptional factors driving the ALS disease signature. Specifically, we were able to correlate suppression of HOXA1 and HOXA5 to synaptic dysfunction in ALS motor neurons. Our results suggest that suppression of HOX genes may be a general phenomenon in SOD1 ALS. Conclusions: Our results demonstrate the utility of single cell transcriptomics in mapping disease-relevant gene regulatory networks driving neurodegeneration in ALS motor neurons. We propose that ALS-associated mutant SOD1 leads to inhibition of transcriptional networks driving homeostatic programs specific to motor neurons, thereby providing a possible explanation for the relative resistance of spinal interneurons to degeneration in ALS.

The Schimke immuno-osseous dysplasia is an autosomal recessive genetic osteochondrodysplasia characterized by dysmorphism, spondyloepiphyseal dysplasia, nephrotic syndrome and frequently T cell immunodeficiency. Several hypotheses have been proposed to explain pathophysiology of the disease, however, the mechanism by which SMARCAL1 mutations cause the syndrome is elusive. Indeed, animal models of the disease are absent or useless to provide insight into the disease mechanism, since they do not recapitulate the phenotype. We generated a conditional knockdown model of SMARCAL1 in iPSCs to mimic conditions of cells with severe form the disease. Here, we characterize this model for the presence of phenotype linked to the replication caretaker role of SMARCAL1 using multiple cellular endpoints. Our data show that conditional knockdown of SMARCAL1 in human iPSCs induces replication-dependent and chronic accumulation of DNA damage triggering the DNA damage response. Furthermore, they indicate that accumulation of DNA damage and activation of the DNA damage response correlates with increased levels of R-loops and replication-transcription interference. Finally, we provide data showing that, in SMARCAL1-deficient iPSCs, DNA damage response can be maintained active also after differentiation, possibly contributing to the observed altered expression of a subset of germ layer-specific master genes. In conclusion, our conditional SMARCAL1 iPSCs may represent a powerful model where studying pathogenetic mechanisms of severe Schimke immuno-osseous dysplasia, thus overcoming the reported inability of different model systems to recapitulate the disease.

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.