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.

Abstract Mutations in the UBQLN2 gene cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). The neuropathology of such UBQLN2 -linked cases of ALS/FTD is characterised by aggregates of the ubiquilin 2 protein in addition to aggregates of the transactive response DNA-binding protein of 43 kDa (TDP-43). ALS and FTD without UBQLN2 mutations are also characterised by TDP-43 aggregates, that may or may not colocalise with wildtype ubiquilin 2. Despite this, the relative contributions of TDP-43 and ubiquilin 2 to disease pathogenesis remain largely under-characterised, as does their relative deposition as aggregates across the central nervous system (CNS). Here we conducted multiplex immunohistochemistry of three UBQLN2 p.T487I-linked ALS/FTD cases, three non- UBQLN2 -linked (sporadic) ALS cases, and eight non-neurodegenerative disease controls, covering 40 CNS regions. We then quantified ubiquilin 2 aggregates, TDP-43 aggregates, and aggregates containing both proteins in regions of interest to determine how UBQLN2 -linked and non- UBQLN2 -linked proteinopathy differ. We find that ubiquilin 2 aggregates that are negative for TDP-43 are predominantly small and punctate, and are abundant in the hippocampal formation, spinal cord, all tested regions of neocortex, medulla, and substantia nigra in UBQLN2 -linked ALS/FTD but not sporadic ALS. Curiously, the striatum harboured small punctate ubiquilin 2 aggregates in all cases examined, while large diffuse striatal ubiquilin 2 aggregates were specific to UBQLN2 -linked ALS/FTD. Overall, ubiquilin 2 is mainly deposited in clinically unaffected regions throughout the CNS such that symptomology in UBQLN2 -linked cases maps best to the aggregation of TDP-43.