Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal, progressive neurodegenerative disease characterized by rapid loss of muscle control and eventual paralysis due to the death of large motor neurons in the brain and spinal cord. Growth factors such as glial cell line derived neurotrophic factor (GDNF) are known to protect motor neurons from damage in a range of models. However, penetrance through the blood brain barrier and delivery to the spinal cord remains a serious challenge. Although there may be a primary dysfunction in the motor neuron itself, there is also increasing evidence that excitotoxicity due to glial dysfunction plays a crucial role in disease progression. Clearly it would be of great interest if wild type glial cells could ameliorate motor neuron loss in these models, perhaps in combination with the release of growth factors such as GDNF. Human neural progenitor cells can be expanded in culture for long periods and survive transplantation into the adult rodent central nervous system, in some cases making large numbers of GFAP positive astrocytes. They can also be genetically modified to release GDNF (hNPC(GDNF)) and thus act as long-term 'mini pumps' in specific regions of the rodent and primate brain. In the current study we genetically modified human neural stem cells to release GDNF and transplanted them into the spinal cord of rats over-expressing mutant SOD1 (SOD1(G93A)). Following unilateral transplantation into the spinal cord of SOD1(G93A) rats there was robust cellular migration into degenerating areas, efficient delivery of GDNF and remarkable preservation of motor neurons at early and end stages of the disease within chimeric regions. The progenitors retained immature markers, and those not secreting GDNF had no effect on motor neuron survival. Interestingly, this robust motor neuron survival was not accompanied by continued innervation of muscle end plates and thus resulted in no improvement in ipsilateral limb use. The potential to maintain dying motor neurons by delivering GDNF using neural progenitor cells represents a novel and powerful treatment strategy for ALS. While this approach represents a unique way to prevent motor neuron loss, our data also suggest that additional strategies may also be required for maintenance of neuromuscular connections and full functional recovery. However, simply maintaining motor neurons in patients would be the first step of a therapeutic advance for this devastating and incurable disease, while future strategies focus on the maintenance of the neuromuscular junction.

In recent years, the assay for transposase-accessible chromatin using sequencing (ATAC-Seq) has become a fundamental tool of epigenomic research. However, it has proven difficult to perform this technique on frozen samples because freezing cells before extracting nuclei impairs nuclear integrity and alters chromatin structure. We describe a protocol for freezing cells that is compatible with ATAC-Seq, producing results that compare well with those generated from fresh cells. We found that while flash-frozen samples are not suitable for ATAC-Seq, the assay is successful with slow-cooled cryopreserved samples. Using this method, we were able to isolate high quality, intact nuclei, and we verified that epigenetic results from fresh and cryopreserved samples agree quantitatively. We developed our protocol on a disease-relevant cell type, namely motor neurons differentiated from induced pluripotent stem cells from a patient affected by spinal muscular atrophy.

Summary Neurodegenerative diseases present a challenge for systems biology, due to the lack of reliable animal models and the difficulties in obtaining samples from patients at early stages of disease, when interventions might be most effective. Studying induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neurons could overcome these challenges and dramatically accelerate and broaden therapeutic strategies. Here we undertook a network-based multi-omic characterization of iPSC-derived motor neurons from ALS patients carrying genetically dominant hexanucleotide expansions in C9orf72 to gain a deeper understanding of the relationship between DNA, RNA, epigenetics and protein in the same pool of tissue. ALS motor neurons showed the expected C9orf72 -related alterations to specific nucleoporins and production of dipeptide repeats. RNA-seq, ATAC-seq and data-independent acquisition mass-spectrometry (DIA-MS) proteomics were then performed on the same motor neuron cultures. Using integrative computational methods that combined all of the omics, we discovered a number of novel dysregulated pathways including biological adhesion and extracellular matrix organization and disruption in other expected pathways such as RNA splicing and nuclear transport. We tested the relevance of these pathways in vivo in a C9orf72 Drosophila model, analyzing the data to determine which pathways were causing disease phenotypes and which were compensatory. We also confirmed that some pathways are altered in late-stage neurodegeneration by analyzing human postmortem C9 cervical spine data. To validate that these key pathways were integral to the C9 signature, we prepared a separate set of C9orf72 and control motor neuron cultures using a different differentiation protocol and applied the same methods. As expected, there were major overall differences between the differentiation protocols, especially at the level of in individual omics data. However, a number of the core dysregulated pathways remained significant using the integrated multiomic analysis. This new method of analyzing patient specific neural cultures allows the generation of disease-related hypotheses with a small number of patient lines which can be tested in larger cohorts of patients.