Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an irreversible neurodegenerative disease caused by the degeneration of motor neurons, and cytoskeletal instability is considered to be involved in neurodegeneration. A hexanucleotide repeat expansion of the C9orf72 , one of the most common causes of familial ALS, produces toxic proline:arginine (PR) poly-dipeptides. PR poly-dipeptides binds polymeric forms of low complexity sequences and intracellular puncta, thereby altering intermediate filaments (IFs). However, how PR poly-dipeptides affect the cytoskeleton, including IFs, microtubules and actin filaments, remains unknown. Here we performed a synthetic PR poly-dipeptide treatment on mammalian cells and investigated how it affects morphology of cytoskeleton and cell behaviors. We observed that PR poly-dipeptide treatment induce the degradation of vimentin bundles at perinucleus and dissociation of β-tubulin network. PR poly-dipeptides also lead to alteration of actin filaments toward to cell contours and strength cortical actin filaments via activation of ERM (ezrin/radixin/moesin) proteins. In addition, we found that PR poly-dipeptides promote phosphorylation of paxillin and recruitment of vinculin on focal adhesions, which lead to maturation of focal adhesions. Finally, we evaluated the effects of PR poly-dipeptides on mechanical property and stress response. Interestingly, treatment of PR poly-dipeptides increased the elasticity of the cell surface, leading to maladaptive response to cyclic stretch. These results suggest that PR poly-dipeptides cause mechanically sensitive structural reorganization and disrupt the cytoskeleton architecture.

Abstract Self-association of low-complexity protein sequences (LC domains) is important for polymer formation. Several molecular chaperones are involved in the regulation of LC domain polymer formation. However, the mechanisms underlying cell recognition of LC domain polymers remain unclear. Here we show that zinc finger domains (ZnFs) bind LC domains of RNA-binding proteins in a cross-β polymer-dependent manner. ZnFs bound to LC domain hydrogels and suppressed LC domain polymer formation. Moreover, ZnFs preferentially recognize LC domains in the polymeric state. These findings suggest that ZnFs act as physiological regulators of LC domain polymer formation.

Low-complexity (LC) domains of proteins are found in about one fifth of human proteome, and a group of LC-domains form labile cross-β polymers and liquid-like droplets. Polymers and droplets formed from LC-domains are dynamically regulated by posttranslational modifications and molecular chaperones including nuclear transport receptors. Repeat expansion in the first intron of a gene designated C9orf72, which is the most prevalent form of familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS), causes nucleocytoplasmic transport deficit, however, the detailed mechanism remains unsolved. Here we show that the proline:arginine (PR) poly-dipeptides encoded by the C9orf72 repeat expansion bound nuclear transport receptor Kapβ2 through its nuclear localization signal (NLS) recognition motif, and inhibited the ability of Kapβ2 to melt fused in sarcoma (FUS) droplets by competing interaction with FUS. The findings in this study offer mechanistic insights as to how the C9orf72 repeat expansion disables nucleocytoplasmic transport and causes neurodegenerative diseases.

Elevated levels of uric acid, a metabolite of purine in humans, is related to various diseases, such as gout, atherosclerosis and renal dysfunction. The excretion and reabsorption of uric acid to/from urine is tightly regulated by uric acid transporters. The amino acid sequences of uric acid reabsorption transporters, URAT1/SLC22A12, OAT4/SLC22A11, and OAT10/SLC22A13, share closer phylogenic relationship, whereas the gene promoter sequences are distant phylogenic relationship. Through the single-cell RNA-sequencing analysis of an adult human kidney, we found that only a small number of cells express these transporters, despite their role in the regulation of serum uric acid levels. Transcriptional motif analysis on these transporter genes, revealed that the URAT1/SLC22A12 gene promoter displayed the most conserved estrogen response elements (EREs) among the three transporters. The endogenous selective estrogen receptor modulator (SERM) 27-hydroxycholesterol (27HC) had positive effects on the transcriptional activity of URAT1/SLC22A12. We also found that 27HC increased the protein and gene expression of URAT1/SLC22A12 in mouse kidneys and human kidney organoids, respectively. These results strongly suggest the role of 27HC for URAT1/SLC22A12 expression in renal proximal tubules and upregulation of serum uric acid levels and also show the relationship between cholesterol metabolism and serum uric acid regulation.

The brainstem controls heartbeat, blood pressure and respiration, which are life-sustaining functions, therefore, disorders of the brainstem can be lethal. Brain organoids derived from human pluripotent stem cells recapitulate the course of human brain development and are expected to be useful for medical research on central nervous system disorders. However, existing organoid models have limitations, hampering the elucidation of diseases affecting specific components of the brain. Here, we developed a method to generate human brainstem organoids (hBSOs), containing neural crest stem cells as well as midbrain/hindbrain progenitors, noradrenergic and cholinergic neurons, and dopaminergic neurons, demonstrated by specific electrophysiological signatures. Single-cell RNA sequence analysis, together with proteomics and electrophysiology, revealed that the cellular population in these organoids was similar to that of the human brainstem and neural crest, which raises the possibility of making use of hBSOs in grafting for transplantation, efficient drug screenings and modeling the neural crest diseases.

The anticancer agent, 5-fluorouracil (5-FU), is typically applied in the treatment of various types of cancers because of its properties. Thought to be an inhibitor of the enzyme thymidylate synthase which plays a role in nucleotide synthesis, 5-FU has been found to induce single- and double-strand DNA breaks. The activation of ATR occurs as a reaction to UV- and chemotherapeutic drug-induced replication stress. In this study, we examined the effect of ATR inhibition on 5-FU sensitivity. Using western blotting, we found that 5-FU treatment led to the phosphorylation of ATR. Surviving fractions were remarkably decreased in 5-FU with ATR inhibitor (ATRi) compared to 5-FU with other major DNA repair kinases inhibitors. ATR inhibition enhanced induction of DNA double-strand breaks and apoptosis in 5-FU-treated cells. Using gene expression analysis, we found that 5-FU could induce the activation of intra-S checkpoint. Surprisingly, BRCA2-deficient cells were sensitive to 5-FU in the presence of ATRi. In addition, ATR inhibition enhanced the efficacy of 5-FU treatment, independent of non-homologous end-joining and homologous recombination repair pathways. Findings from the present study suggest ATR as a potential therapeutic target for 5-FU chemotherapy.