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 TDP-43 pathology is found in several neurodegenerative disorders, collectively referred to as “TDP-43 proteinopathies”. Aggregates of TDP-43 are present in the brains and spinal cords of >97% of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), and in brains of ∼50% of frontotemporal dementia (FTD) patients. While mutations in the TDP-43 gene ( TARDBP ) are usually associated with ALS, many clinical reports have linked these mutations to cognitive impairments and/or FTD, but also to other neurodegenerative disorders including Parkinsonism (PD) or progressive supranuclear palsy (PSP). TDP-43 is a ubiquitously expressed, highly conserved RNA-binding protein that is involved in many cellular processes, mainly RNA metabolism. To investigate systemic pathological mechanisms in TDP-43 proteinopathies, aiming to capture the pleiotropic effects of TDP-43 mutations, we have further characterised a mouse model carrying a point mutation (M323K) within the endogenous Tardbp gene. Homozygous mutant mice developed cognitive and behavioural deficits as early as 3 months of age. This was coupled with significant brain structural abnormalities, mainly in the cortex, hippocampus, and white matter fibres, together with progressive cortical interneuron degeneration and neuroinflammation. At the motor level, progressive phenotypes appeared around 6 months of age. Thus, cognitive phenotypes appeared to be of a developmental origin with a mild associated progressive neurodegeneration, while the motor and neuromuscular phenotypes seemed neurodegenerative, underlined by a progressive loss of upper and lower motor neurons as well as distal denervation. This is accompanied by progressive elevated TDP-43 protein and mRNA levels in cortex and spinal cord of homozygous mutant mice from 3 months of age, together with increased cytoplasmic TDP-43 mislocalisation in cortex, hippocampus, hypothalamus, and spinal cord at 12 months of age. In conclusion, we find that Tardbp M323K homozygous mutant mice model many aspects of human TDP-43 proteinopathies, evidencing a dual role for TDP-43 in brain morphogenesis as well as in the maintenance of the motor system, making them an ideal in vivo model system to study the complex biology of TDP-43.

ABSTRACT FUS (Fused in sarcoma) is a ubiquitously expressed DNA/RNA binding protein. Mutations in FUS cause aggressive juvenile forms of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), as in the case with the FUSDelta14 mutation. While most studies have focused on the role of FUS in motor neuron degeneration, little is known about the effect of FUS mutations in the whole body, and the impact of FUS mutations in the correct development of the nervous system. We studied pleiotropic phenotypes in a physiological knock-in mouse model carrying the FUSDelta14 mutation in homozygosity. RNA sequencing was conducting in six different tissues (frontal cortex, spinal cord, tibialis anterior muscle, white and brown adipose tissue and liver) to identify the genes and pathways altered by the FUSDelta14 mutant protein in the systemic transcriptome. Additionally, brain structural magnetic resonance imaging (MRI) and histological characterisation was conducted in young mice to study the role of FUS mutation in the brain development. FUS mutant protein was upregulated and mislocalised in the cytoplasm in most cells of the tissues analysed. We identified few genes commonly altered in all tissues by this mutation, although most genes and pathways affected were generally tissue-specific. Phenotypic assessment of mice revealed systemic metabolic alterations related to the pathway changes identified. MRI brain scans revealed that homozygous FUSDelta14 brains were smaller and displayed significant morphological alterations including a thinner cortex, reduced neuronal number and increased gliosis, which correlated with early cognitive impairment and fatal seizures. We demonstrated that the disease aetiology of FUS mutations can include neurodevelopmental and systemic alterations, which should be taken into consideration in the clinic.

SUMMARY Amyotrophic lateral sclerosis - frontotemporal dementia spectrum disorder (ALS/FTD) is a complex neurodegenerative disease; up to 10% of cases are familial, usually arising from single dominant mutations in >30 causative genes. Transgenic mouse models that overexpress human ALS/FTD causative genes have been the preferred organism for in vivo modelling. However, while conferring human protein biochemistry, these overexpression models are not ideal for dosage-sensitive proteins such as TDP-43 or FUS. We have created three next-generation genomically humanised knock-in mouse models for ALS/FTD research, by replacing the entire mouse coding region of Sod1 , Tardbp (TDP-43) and Fus , with their human orthologues to preserve human protein biochemistry, with exons and introns intact to enable future modelling of coding or non-coding mutations and variants and to preserve human splice variants. In generating these mice, we have established a new-standard of quality control: we demonstrate the utility of indirect capture for enrichment of a region of interest followed by Oxford Nanopore sequencing for robustly characterising large knock-in alleles. This approach confirmed that targeting occurred at the correct locus and to map homologous recombination events. Furthermore, extensive expression data from the three lines shows that homozygous humanised animals only express human protein, at endogenous levels. Characterisation of humanised FUS animals showed that they are phenotypically normal compared to wildtype littermates throughout their lifespan. These humanised mouse strains are critically needed for preclinical assessment of interventions, such as antisense oligonucleotides (ASOs), to modulate expression levels in patients, and will serve as templates for the addition of human ALS/FTD mutations to dissect disease pathomechanisms.