Apolipoproteins are involved in pathological conditions of Alzheimer disease (AD), truncated apolipoprotein fragments and beta-amyloid (Abeta) peptides coexist as neurotoxic heteromers within the plaques. Therefore, it is important to investigate these complexes at the molecular level to better understand their properties and roles in the pathology of AD. Here, we present a mechanistic insight into such heteromerization using a structurally homologue apolipoprotein fragment of apoA-I (4F) complexed with Abeta(M1-42) and characterize their toxicity. The 4F peptide slows down the aggregation kinetics of Abeta(M1-42) by constraining its structural plasticity. NMR and CD experiments identified 4F-Abeta(M1-42) heteromers as being comprised of unstructured Abeta(M1-42) and helical 4F. A uniform 2-fold reduction in Abeta42 15N/1H NMR signal intensities with no observable chemical shift perturbation indicated the formation of a large complex, which was further confirmed by diffusion NMR experiments. Microsecond scale atomistic molecular dynamics simulations showed that 4F interaction with Abeta(M1-42) is electrostatically driven and induces unfolding of Abeta(M1-42). Neurotoxicity profiling of Abeta(M1-42) complexed with 4F confirms a significant reduction in cell-viability and neurite growth. The molecular architecture of heteromerization between 4F and Abeta(M1-42) discovered in this study provides evidence towards our understanding of the role of apolipoproteins or their truncated fragments in exacerbating AD pathology.

Polymethacrylate-copolymer (PMA) encased lipid-nanodiscs (~10 nm) and macro-nanodiscs (>15 nm) are used to study Abeta-1-40 aggregation. We demonstrate that PMA-nanodiscs form a ternary association with Abeta and regulate its aggregation kinetics by trapping intermediates. Results demonstrating reduced neurotoxicity of nanodisc-bound Abeta oligomers are also reported.

Abstract The nuclear RNA-binding protein TDP43 is integrally involved in the pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD). Previous studies uncovered N-terminal TDP43 isoforms that are predominantly cytosolic in localization, highly prone to aggregation, and enriched in susceptible spinal motor neurons. In healthy cells, however, these shortened (s)TDP43 isoforms are difficult to detect in comparison to full-length (fl)TDP43, raising questions regarding their origin and selective regulation. Here, we show that sTDP43 is created as a byproduct of TDP43 autoregulation and cleared by nonsense mediated RNA decay (NMD). The sTDP43-encoding transcripts that escape NMD can lead to toxicity but are rapidly degraded post-translationally. Circumventing these regulatory mechanisms by overexpressing sTDP43 results in neurodegeneration in vitro and in vivo via N-terminal oligomerization and impairment of flTDP43 splicing activity, in addition to RNA binding-dependent gain-of-function toxicity. Collectively, these studies highlight endogenous mechanisms that tightly regulate sTDP43 expression and provide insight into the consequences of aberrant sTDP43 accumulation in disease.

Abstract Nuclear exclusion and cytoplasmic accumulation of the RNA-binding protein TDP43 are characteristic of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD). Despite this, the origin and ultrastructure of cytosolic TDP43 deposits remain unknown. Accumulating evidence suggests that abnormal RNA homeostasis can drive pathological TDP43 mislocalization, enhancing RNA misprocessing due to loss of nuclear TDP43 and engendering a cycle that ends in cell death. Here, we show that adding small monovalent oligonucleotides successfully recapitulates pathological TDP43 mislocalization and aggregation in iPSC-derived neurons (iNeurons). By employing a multimodal in situ cryo-correlative light and electron microscopy pipeline, we examine how RNA influences the localization and aggregation of TDP43 in near-native conditions. We find that mislocalized TDP43 forms ordered fibrils within lysosomes and autophagosomes in iNeurons as well as in patient tissue, and provide the first high-resolution snapshots of TDP43 aggregates in situ . In so doing, we provide a cellular model for studying initial pathogenic events underlying ALS, FTLD, and related TDP43-proteinopathies.

Highlights•Short (s)TDP43 isoforms are created as a by-product of TDP43 autoregulation•sTDP43 is strictly regulated by NMD, the proteasome, and autophagy•sTDP43 is a potent inhibitor of TDP43 splicing activitySummaryThe nuclear RNA-binding protein TDP43 is integrally involved in the pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD). Previous studies uncovered N-terminal TDP43 isoforms that are predominantly cytosolic in localization, prone to aggregation, and enriched in susceptible spinal motor neurons. In healthy cells, however, these shortened (s)TDP43 isoforms are difficult to detect in comparison to full-length (fl)TDP43, raising questions regarding their origin and selective regulation. Here, we show that sTDP43 is created as a by-product of TDP43 autoregulation and cleared by nonsense-mediated RNA decay (NMD). sTDP43-encoding transcripts that escape NMD are rapidly degraded post-translationally via the proteasome and macroautophagy. Circumventing these regulatory mechanisms by overexpressing sTDP43 results in neurodegeneration via N-terminal oligomerization and impairment of flTDP43 splicing activity, in addition to RNA-binding-dependent gain-of-function toxicity. Collectively, these studies highlight endogenous mechanisms that tightly regulate sTDP43 expression and underscore the consequences of aberrant sTDP43 accumulation in disease.Graphical abstract