Abstract More than two hundred genetic mutations of Cu, Zn-superoxide dismutase (SOD1) have been identified in amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a neurodegenerative disease characterized by the selective death of motor neurons through ferroptosis. Two ALS-causing SOD1 mutations, H46R and G85R, are metal-binding region mutants with reduced affinity for metal ions. Here, we generated amyloid fibrils from the apo forms of H46R and G85R under reducing conditions and determined their structures using cryo-EM. We built models for the fibril cores, comprising residues 85−153 for H46R and 82−153 for G85R. These mutations disrupt crucial interactions in the wild-type SOD1 fibril, resulting in amyloid fibrils with distinct structures compared to the wild-type fibril. Remarkably, H46R and G85R form similar novel amyloid fibril structures. The fibril cores display a serpentine fold containing seven or eight β-strands, which are stabilized by a hydrophobic cavity. In the G85R fibril core, Arg85 and Asp101 form a salt bridge for stabilization. We demonstrate that fibril seeds from H46R and G85R cause more severe mitochondrial impairment and significantly promote ferroptosis in neuronal cells, compared with those from wild-type SOD1. Our findings reveal how different SOD1 mutations can result in similar amyloid fibril structures and contribute to ALS pathology.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive, fatal neurodegenerative disease characterized by the selective death of motor neurons. Misfolded Cu, Zn-superoxide dismutase (SOD1) has been linked to both familial ALS and sporadic ALS. SOD1 fibrils formed in vitro are able to incorporate into cells, transmit intercellularly, and share toxic properties with ALS inclusions. Here we produced amyloid fibrils in vitro from recombinant, full-length apo human SOD1 under semi-reducing conditions and determined the atomic structure using cryo-EM. The SOD1 fibril consists of a single protofibril with a left-handed helix. The fibril core exhibits a serpentine fold comprising N-terminal segment (residues 3 to 55) and C-terminal segment (residues 86 to 153) with a structural break. The two segments are zipped up by three salt bridge pairs. By comparison with the structure of apo SOD1 dimer, we propose that eight β-strands (to form a β-barrel) and one α-helix in the subunit of apo SOD1 convert into thirteen β-strands stabilized by five hydrophobic cavities in the SOD1 fibril. Our data provide insights into how SOD1 converts between structurally and functionally distinct states.