Multipotent progenitor cells of the cerebral cortex balance self-renewal and differentiation to produce complex neural lineages in a fixed temporal order in a cell-autonomous manner. We studied the role of the polycomb epigenetic system, a chromatin-based repressive mechanism, in controlling cortical progenitor cell self-renewal and differentiation. We found that the histone methyltransferase of polycomb repressive complex 2 (PCR2), enhancer of Zeste homolog 2 (Ezh2), is essential for controlling the rate at which development progresses within cortical progenitor cell lineages. Loss of function of Ezh2 removes the repressive mark of trimethylated histone H3 at lysine 27 (H3K27me3) in cortical progenitor cells and also prevents its establishment in postmitotic neurons. Removal of this repressive chromatin modification results in marked up-regulation in gene expression, the consequence of which is a shift in the balance between self-renewal and differentiation toward differentiation, both directly to neurons and indirectly via basal progenitor cell genesis. Although the temporal order of neurogenesis and gliogenesis are broadly conserved under these conditions, the timing of neurogenesis, the relative numbers of different cell types, and the switch to gliogenesis are all altered, narrowing the neurogenic period for progenitor cells and reducing their neuronal output. As a consequence, the timing of cortical development is altered significantly after loss of PRC2 function.

Abstract Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) hold promise for modeling diseases in individual human genetic backgrounds and thus for developing precision medicine. Here, we generate sensorimotor organoids containing physiologically functional neuromuscular junctions (NMJs) within a cultured organoid system and apply the model to different subgroups of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Using a range of molecular, genomic, and physiological techniques, we identify and characterize motor neurons and skeletal muscle, along with sensory neurons, astrocytes, microglia, and vasculature. Organoid cultures derived from ALS subject iPSC lines and isogenic lines edited to harbor familial ALS mutations all show impairment at the level of the NMJ, as detected by both contraction and immunocytochemical measurements. The physiological resolution of the human NMJ synapse, combined with the generation of major cellular cohorts exerting autonomous and non-cell autonomous effects in motor and sensory diseases, may prove valuable for more comprehensive disease modeling.

Abstract Hexanucleotide G 4 C 2 repeat expansions in the C9ORF72 gene are the most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Dipeptide repeat proteins (DPRs) generated by translation of repeat-containing RNAs show toxic effects in vivo as well as in vitro and are key targets for therapeutic intervention. We generated human antibodies that bind DPRs with high affinity and specificity. Anti-GA antibodies engaged extra- and intracellular poly-GA and reduced aggregate formation in a poly-GA over-expressing human cell line. However, antibody treatment in human neuronal cultures synthesizing exogenous poly-GA resulted in the formation of large extracellular immune complexes and did not affect accumulation of intracellular poly-GA aggregates. Treatment with antibodies was also shown to directly alter the morphological and biochemical properties of poly-GA and to shift poly-GA/antibody complexes to more rapidly sedimenting ones. These alterations were not observed with poly-GP and have important implications for accurate measurement of poly-GA levels including the need to evaluate all centrifugation fractions and disrupt the interaction between treatment antibodies and poly-GA by denaturation. Targeting poly-GA and poly-GP in two mouse models expressing G 4 C 2 repeats by systemic antibody delivery for up to 16 months was well-tolerated and led to measurable brain penetration of antibodies. Long term treatment with anti-GA antibodies produced improvement in an open field movement test in aged C9ORF72 450 mice. However, chronic administration of anti-GA antibodies in AAV-(G 4 C 2 ) 149 mice was associated with increased levels of poly-GA detected by immunoassay and did not significantly reduce poly-GA aggregates or alleviate disease progression in this model. Significance Immunotherapy has been proposed for neurodegenerative disorders including Alzheimer’s or Parkinson’s diseases. Recent reports using antibodies against poly-GA or active immunization suggested similar immunotherapy in ALS/FTD caused by repeat expansion in the C9ORF72 gene (1, 2). Here, we systematically characterized human antibodies against multiple DPR species and tested the biological effects of antibodies targeting poly-GA in different cellular and mouse models. Target engagement was shown in three independent cellular models. Anti-GA antibodies reduced the number of intracellular poly-GA aggregates in human T98G cells but not in cultured human neurons. Whereas chronic anti-GA treatment in BAC C9ORF72 450 mice did not impact poly-GA levels and modestly improved one behavioral phenotype, poly-GA levels detected by immunoassays were increased and disease progression was unaltered in AAV-(G 4 C 2 ) 149 mice.

A nucleotide repeat expansion (NRE) in the first annotated intron of the C9ORF72 gene is the most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). While C9 NRE-containing RNAs can be translated into several toxic dipeptide repeat proteins, how an intronic NRE can assess the translation machinery in the cytoplasm remains unclear. By capturing and sequencing NRE-containing RNAs from patient-derived cells, we found that C9 NRE was exonized by the usage of downstream 5′ splice sites and exported from the nucleus in a variety of spliced mRNA isoforms. C9ORF72 aberrant splicing was substantially elevated in both C9 NRE+ motor neurons and human brain tissues. Furthermore, NREs above the pathological threshold were sufficient to activate cryptic splice sites in reporter mRNAs. In summary, our results revealed a crucial and potentially widespread role of repeat-induced aberrant splicing in the biogenesis, localization, and translation of NRE-containing RNAs.