Defects in nucleocytoplasmic transport have been identified as a key pathogenic event in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) mediated by a GGGGCC hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72, the most common genetic cause of ALS/FTD. Furthermore, nucleocytoplasmic transport disruption has also been implicated in other neurodegenerative diseases with protein aggregation, suggesting a shared mechanism by which protein stress disrupts nucleocytoplasmic transport. Here, we show that cellular stress disrupts nucleocytoplasmic transport by localizing critical nucleocytoplasmic transport factors into stress granules, RNA/protein complexes that play a crucial role in ALS pathogenesis. Importantly, inhibiting stress granule assembly, such as by knocking down Ataxin-2, suppresses nucleocytoplasmic transport defects as well as neurodegeneration in C9ORF72-mediated ALS/FTD. Our findings identify a link between stress granule assembly and nucleocytoplasmic transport, two fundamental cellular processes implicated in the pathogenesis of C9ORF72-mediated ALS/FTD and other neurodegenerative diseases.

Disruption of nucleocytoplasmic transport (NCT), including mislocalization of the importin β cargo, TDP-43, is a hallmark of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), including ALS caused by a hexanucleotide repeat expansion in C9orf72 . However, the mechanism(s) remain unclear. Importin β and its cargo adaptors have been shown to co-precipitate with the C9orf72 -arginine-containing dipeptide repeat proteins (R-DPRs), poly-glycine arginine (GR) and poly-proline arginine (PR), and are protective in genetic modifier screens. Here, we show that R-DPRs interact with importin β, disrupt its cargo loading, and inhibit nuclear import in permeabilized mouse neurons and HeLa cells, in a manner that can be rescued by RNA. Although R-DPRs induce widespread protein aggregation in this in vitro system, transport disruption is not due to NCT protein sequestration, nor blockade of the phenylalanine-glycine (FG)-rich nuclear pore complex. Our results support a model in which R-DPRs interfere with nuclear transport receptors in the vicinity of the nuclear envelope.

Nucleocytoplasmic transport, controlled by the nuclear pore complex, has recently emerged as a pathomechanism underlying neurodegenerative diseases including C9orf72 ALS/FTD. However, little is known about the underlying molecular events and the underlying biology in human neurons. Using super resolution structured illumination microscopy of twenty three nucleoporins in nuclei from C9orf72 iPSC derived neurons and postmortem human tissue we identify a unique subset of eight nucleoporins lost from human neuronal nuclei. POM121, an integral transmembrane nucleoporin, appears to coordinate the composition of the nucleoporins within human neuronal nuclei ultimately impacting nucleocytoplasmic transport, and subsequent cellular toxicity in C9orf72 iPSNs. These data suggest that POM121 is a critical nucleoporin in the maintenance of the nuclear localization of specific nucleoporins in human neurons. Moreover, loss of nuclear POM121, as a result of expanded C9orf72 ALS/FTD repeat RNA, initiates a pathological cascade affecting nucleoporin composition within neuronal nuclei, nuclear pore complex function, and overall downstream neuronal survival.