Mutations in the protein superoxide dismutase-1 (SOD1) promote its misfolding and aggregation, ultimately causing familial forms of the debilitating neurodegenerative disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Currently, over 220 (mostly missense) ALS-causing mutations in the SOD1 protein have been identified, indicating that common structural features are responsible for aggregation and toxicity. Using in silico tools, we predicted amyloidogenic regions in the ALS-associated SOD1-G85R mutant, finding seven regions throughout the structure. Introduction of proline residues into β-strands II (I18P) or III (I35P) reduced the aggregation propensity and toxicity of SOD1-G85R in cells, significantly more so than proline mutations in other amyloidogenic regions. The I18P and I35P mutations also reduced the capability of SOD1-G85R to template onto previously formed non-proline mutant SOD1 aggregates as measured by fluorescence recovery after photobleaching. Finally, we found that, while the I18P and I35P mutants are less structurally stable than SOD1-G85R, the proline mutants are less aggregation-prone during proteasome inhibition, and less toxic to cells overall. Our research highlights the importance of a previously underappreciated SOD1 amyloidogenic region in β-strand II ( 15 QGIINF 20 ) to the aggregation and toxicity of SOD1 in ALS mutants, and suggests that β-strands II and III may be good targets for the development of SOD1-associated ALS therapies

Abstract Disrupted proteome homeostasis (proteostasis) in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) has been a major focus of research in the past two decades. However, the proteostasis processes that become disturbed in ALS are not fully understood. Obtaining more detailed knowledge of proteostasis disruption in association with different ALS-causing mutations will improve our understanding of ALS pathophysiology and may identify novel therapeutic targets and strategies for ALS patients. Here we describe the development and use of a novel high-content analysis (HCA) assay to investigate proteostasis disturbances caused by the expression of several ALS-causing gene variants. This assay involves the use of conformationally-destabilised mutants of firefly luciferase (Fluc) to examine protein folding/re-folding capacity in NSC-34 cells expressing ALS-associated mutations in the genes encoding superoxide dismutase-1 (SOD1 A4V ) and cyclin F (CCNF S621G ). We demonstrate that these Fluc isoforms can be used in high-throughput format to report on reductions in the activity of the chaperone network that result from the expression of SOD1 A4V , providing multiplexed information at single-cell resolution. In addition to SOD1 A4V and CCNF S621G , NSC-34 models of ALS-associated TDP-43, FUS, UBQLN2, OPTN, VCP and VAPB mutants were generated that could be screened using this assay in future work. For ALS-associated mutant proteins that do cause reductions in protein quality control capacity, such as SOD1 A4V , this assay has potential to be applied in drug screening studies to identify candidate compounds that can ameliorate this deficiency.

ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease of motor neurons. Neuronal superoxide dismutase-1 (SOD1) inclusion bodies are characteristic of familial ALS with SOD1 mutations, while a hallmark of sporadic ALS is inclusions containing aggregated wild-type TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43). Co-expression of mutant or wild-type TDP-43 with SOD1 leads to misfolding of endogenous SOD1 and aggregation of SOD1 reporter protein G85R-GFP in HEK293FT cells, and promotes synergistic axonopathy in zebrafish. This pathological interaction is dependent upon natively solvent-exposed tryptophans in SOD1 (tryptophan-32) and TDP-43 RRM1 (tryptophan-172), in concert with natively sequestered TDP-43 N-terminal domain tryptophan-68. TDP-43 RRM1 intrabodies reduce wild-type SOD1 misfolding in HEK293FT cells, via blocking tryptophan-172. Tryptophan-68 becomes antibody-accessible in aggregated TDP-43 in sporadic ALS motor neurons and cell culture. 5-fluorouridine inhibits TDP-43-induced G85R-GFP SOD1 aggregation in HEK293FT cells, and ameliorates axonopathy in zebrafish, via its interaction with SOD1 tryptophan-32. Collectively, our results establish a novel and potentially druggable tryptophan-mediated mechanism whereby two principal ALS disease effector proteins might directly interact in disease.

Mutations in the protein superoxide dismutase-1 (SOD1) promote its misfolding and aggregation, ultimately causing familial forms of the debilitating neurodegenerative disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Currently, over 220 (mostly missense) ALS-causing mutations in the SOD1 protein have been identified throughout the primary sequence, indicating that common structural features responsible for aggregation and toxicity may be present. Here, we used in silico tools to predict amyloidogenic regions in the ALS-associated SOD1-G85R mutant, finding 7 regions spread throughout the protein structure. We found that the introduction of proline residues into β-strands II (I18P) or III (I35P) reduced the aggregation propensity and toxicity of SOD1-G85R in living cells, significantly more so than proline mutations in other amyloidogenic regions. The I18P and I35P mutations also reduced the capability of SOD1-G85R to template onto previously formed non-proline mutant SOD1 aggregates as measured by fluorescence recovery after photobleaching. Finally, we found that, while the I18P and I35P mutants are less structurally stable than SOD1-G85R, the proline mutants are less aggregation-prone during proteasome inhibition, and less toxic overall. Our research highlights the importance of a previously underappreciated SOD1 amyloidogenic region in β-strand II (15QGIINF20) to the aggregation and toxicity of SOD1 in ALS mutants, and suggests that β-strands II and III may be good targets for the development of SOD1-associated ALS therapies.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS)-associated mutations in Cu/Zn superoxide dismutase (SOD1) reduce folding stability, resulting in misfolding, aggregation, and ultimately cellular toxicity. A great deal of effort has focused on preventing the misfolding and aggregation of SOD1 as a potential therapy for ALS, however, the results have been mixed. Here, we utilise a small-molecule polytherapy of CuATSM and ebselen to mimic the metal delivery and disulfide bond promoting activity of SOD1’s cellular chaperone, the ‘copper chaperone for SOD1’ (CCS). We find that polytherapy using CuATSM and ebselen is highly effective at reducing inclusion formation in a cell model of SOD1 aggregation, reduces mutant SOD1-associated cell death, and promotes effective maturation of SOD1 beyond either compound alone. Our data suggest that a polytherapy of CuATSM and ebselen may be an effective method of treating SOD1-associated ALS.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease involving the selective death of upper and lower motor neurons in the primary motor cortex and spinal cord. A hallmark of ALS pathology is the accumulation of ubiquitinated protein inclusions within motor neurons. Recent studies suggest the sequestration of ubiquitin (Ub) into inclusions reduces the availability of free Ub, which is essential for cellular function and survival. However, the dynamics of the Ub landscape in ALS have not yet been described. Here we show that Ub homeostasis is altered in a SOD1 cell model of ALS. Utilising fluorescently tagged Ub, we followed the distribution of Ub in living cells expressing SOD1 and show that Ub is present at the earliest stages of SOD1 aggregation. We also report that cells containing aggregates of mutant SOD1 have greater ubiquitin-proteasome system (UPS) dysfunction as measured by the accumulation of the fluorescent proteasome reporter tdTomatoCL1. Furthermore, SOD1 aggregation is associated with the redistribution of Ub and depletion of the free Ub pool. Ubiquitomics analysis indicates that mutant SOD1 is associated with a shift of Ub to a pool of supersaturated proteins including those associated with oxidative phosphorylation and metabolism, corresponding with altered mitochondrial morphology and function. Taken together, these results suggest misfolded SOD1 contributes to UPS dysfunction and that Ub homeostasis is an important target for monitoring pathological changes in ALS.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating neurodegenerative disease with extremely limited therapeutic options. One key pathological feature of ALS is the abnormal accumulation of misfolded proteins within motor neurons. Hence, reducing the burden of misfolded protein has emerged as a promising therapeutic approach. Antisense oligonucleotides (ASOs) have the potential to effectively silence proteins with gain-of-function mutations, such as superoxide dismutase 1 (SOD1). However, ASO delivery to the central nervous system (CNS) is hindered by poor blood-brain barrier (BBB) penetration and the invasiveness of intrathecal administration. In the current study, we demonstrate effective systemic delivery of a next-generation SOD1 ASO (Tofersen) into the brain of wildtype and G93A-SOD1 transgenic C57BL/6 mice using calcium phosphate lipid nanoparticles (CaP lipid NPs). We show that transcranial focused ultrasound (FUS) with intravenously administered microbubbles can significantly enhance ASO-loaded nanoparticle delivery into the mouse brain. Magnetic resonance imaging (MRI) and immunohistological analysis showed reduced SOD1 expression in the FUS-exposed brain regions and increased motor neuron count in the spinal cord of treated mice suggesting decreased motor neuron degeneration. Importantly, the BBB opening was transient without evidence of structural changes, neuroinflammation or damage to the brain tissue, indicating that the treatment is well tolerated. Overall, our results highlight FUS-assisted nanoparticle delivery of ASOs as a promising non-invasive therapeutic strategy for the treatment of ALS and CNS diseases more broadly.

Protein aggregation that results in the formation of inclusions is strongly correlated with neuronal death and is a pathological hallmark common to many neurodegenerative diseases, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and Huntington's disease. Cells are thought to dramatically up-regulate the levels of heat shock proteins during periods of cellular stress via induction of the heat shock response (HSR). Heat shock proteins are well-characterised molecular chaperones that interact with aggregation-prone proteins to either stabilise, refold, or traffic protein for degradation. The reason why heat shock proteins are unable to maintain the solubility of particular proteins in neurodegenerative disease is unknown. We sought to determine whether neurodegenerative disease-associated protein aggregates can induce the HSR. Here, we generated a neuroblastoma cell line that expresses a fluorescent reporter under conditions of HSR induction, for example heat shock. Using these cells, we show that the HSR is not induced by exogenous treatment with aggregated forms of Parkinson's disease-associated α-synuclein or the ALS-associated G93A mutant of superoxide dismutase-1 (SOD1G93A). Furthermore, flow cytometric analysis revealed that intracellular expression of SOD1G93A or a pathogenic form of polyQ-expanded huntingtin (Htt72Q), similarly, results in no or low induction of the HSR. In contrast, expression of a non-pathogenic but aggregation-prone form of firefly luciferase (Fluc) did induce an HSR in a significantly greater proportion of cells. Finally, we show that HSR induction is dependent on the intracellular levels of the aggregation-prone proteins, but the pathogenic proteins (SOD1G93A and Htt72Q) elicit a significantly lower HSR compared to the non-pathogenic proteins (Fluc). These results suggest that pathogenic proteins either evade detection or impair induction of the HSR in neuronal-like cells. Therefore, defective HSR induction may facilitate the initiation of protein aggregation leading to inclusion formation in neurodegenerative diseases.

The underlying physical causes of SOD1-related ALS are still not well-understood. We address this problem here by computationally designing two de novo mutants, A89R and K128N, which were predicted theoretically to be either significantly destabilizing or stabilizing respectively. We subjected these in silico designed mutants to a series of experimental tests, including in vitro measures of thermodynamic stability, cell-based aggregation and toxicity assays, and an in vivo developmental model of zebrafish motor neuron axonopathy. The experimental tests validated the theoretical predictions: A89R is an unstable, highly-deleterious mutant, and K128N is a stable, non-toxic mutant. Moreover, K128N is predicted computationally to form an unusually stable heterodimer with the familial ALS mutant A4V. Consistent with this prediction, co-injection of K128N and A4V into zebrafish shows profound rescue of motor neuron pathology. The demonstrated success of these first principles calculations to predict the physical properties of SOD1 mutants holds promise for rationally designed therapies to counter the progression of ALS.