The hexanucleotide repeat expansion (HRE) GGGGCC (G4C2) in C9orf72 is the most common cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Recent studies support an HRE RNA gain-of-function mechanism of neurotoxicity, and we previously identified protein interactors for the G4C2 RNA including RanGAP1. A candidate-based genetic screen in Drosophila expressing 30 G4C2 repeats identified RanGAP (Drosophila orthologue of human RanGAP1), a key regulator of nucleocytoplasmic transport, as a potent suppressor of neurodegeneration. Enhancing nuclear import or suppressing nuclear export of proteins also suppresses neurodegeneration. RanGAP physically interacts with HRE RNA and is mislocalized in HRE-expressing flies, neurons from C9orf72 ALS patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSC-derived neurons), and in C9orf72 ALS patient brain tissue. Nuclear import is impaired as a result of HRE expression in the fly model and in C9orf72 iPSC-derived neurons, and these deficits are rescued by small molecules and antisense oligonucleotides targeting the HRE G-quadruplexes. Nucleocytoplasmic transport defects may be a fundamental pathway for ALS and FTD that is amenable to pharmacotherapeutic intervention. A candidate-based genetic screen in Drosophila expressing 30 G4C2-repeat-containing RNAs finds that RanGAP, a key regulator of nucleocytoplasmic transport, is a potent suppressor of neurodegeneration; the defects caused by the G4C2 repeat expansions can be rescued with antisense oligonucleotides or small molecules targeting the G-quadruplexes. The most common cause of the debilitating disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a hexanucleotide repeat expansion GGGGCC (G4C2) in the C9orf72 gene. Two studies in this issue use contrasting methods to arrive at a molecular mechanism that may cause a familial form of the disease. Using a candidate-based genetic screen in Drosophila expressing 30 G4C2 repeats (Ke Zhang et al.) or an unbiased genetic screen in Drosophila expressing 8, 28 or 58 G4C2 repeat-containing transcripts (Brian Freibaum et al.), the two groups sought genes that enhance or suppress the disease phenotype. Zhang et al. identify the gene encoding RanGAP, a key regulator of nucleocytoplasmic transport, and Freibaum et al. identifies genes that encode components of the nuclear pore and the nucleocytoplasmic transport machinery. Both papers show deficits in nucleocytoplasmic transport in Drosophila cells expressing G4C2 repeats and in iPSC-derived neurons from ALS patients. Zhang et al. show that these defects can be rescued with antisense oligonucleotides or small molecules targeting the G-quadruplexes.

A hexanucleotide GGGGCC repeat expansion in the noncoding region of the C9ORF72 gene is the most common genetic abnormality in familial and sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). The function of the C9ORF72 protein is unknown, as is the mechanism by which the repeat expansion could cause disease. Induced pluripotent stem cell (iPSC)-differentiated neurons from C9ORF72 ALS patients revealed disease-specific (1) intranuclear GGGGCCexp RNA foci, (2) dysregulated gene expression, (3) sequestration of GGGGCCexp RNA binding protein ADARB2, and (4) susceptibility to excitotoxicity. These pathological and pathogenic characteristics were confirmed in ALS brain and were mitigated with antisense oligonucleotide (ASO) therapeutics to the C9ORF72 transcript or repeat expansion despite the presence of repeat-associated non-ATG translation (RAN) products. These data indicate a toxic RNA gain-of-function mechanism as a cause of C9ORF72 ALS and provide candidate antisense therapeutics and candidate human pharmacodynamic markers for therapy.

ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia patients with a hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 (C9-HRE) accumulate poly-GR and poly-PR aggregates. The pathogenicity of these arginine-rich dipeptide repeats (R-DPRs) is thought to be driven by their propensity to bind to low complexity domains of multivalent proteins. However, the ability of R-DPRs to bind native RNA and the significance of this interaction remains unclear. We used computational and experimental approaches to characterize the physicochemical properties of R-DPRs and their interaction with RNA. We find that poly-GR predominantly binds ribosomal RNA (rRNA) in cells and exhibits an interaction that is predicted to be energetically stronger than that for associated ribosomal proteins. Critically, modified rRNA “bait” oligonucleotides restore poly-GR-associated ribosomal deficits in cells and ameliorate poly-GR toxicity in patient neurons and Drosophila models. Our work strengthens the hypothesis that ribosomal function is impaired by R-DPRs, highlights a role for direct rRNA binding in mediating ribosomal disfunction, and presents a strategy for protecting against C9-HRE pathophysiological mechanisms.

The most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is a hexanucleotide repeat expansion in C9orf72 (C9-HRE). While RNA and dipeptide repeats produced by the C9-HRE disrupt nucleocytoplasmic transport, the proteins that become redistributed remain unknown. Here, we utilized subcellular fractionation coupled with tandem mass spectrometry and identified 126 proteins, enriched for protein translation and RNA metabolism pathways, which collectively drive a shift towards a more cytosolic proteome in C9-HRE cells. Amongst these was eRF1, which regulates translation termination and nonsense-mediated decay (NMD). eRF1 accumulates within elaborate nuclear envelope invaginations in patient iPSC-neurons and postmortem tissue and mediates a protective shift from protein translation to NMD-dependent mRNA degradation. Overexpression of eRF1 and the NMD-driver UPF1 ameliorate C9-HRE toxicity in vivo . Our findings provide a resource for proteome-wide nucleocytoplasmic alterations across neurodegeneration-associated repeat expansion mutations and highlight eRF1 and NMD as therapeutic targets in C9orf72 -associated ALS/FTD.

Cellular differentiation occurs through the regulation of lineage-specific gene expression networks that are facilitated by the spatial organization of the genome. Although techniques based on the chromatin conformation capture (3C) approach have yielded intrachromosomal genome-wide interaction maps, strategies to identify non-random interchromosomal associations is lacking. Therefore, we modeled the genomic organization of chromosomes based on the regulatory networks involved in the differentiation of pluripotent human embryonic stem cells (hESCs) to committed neuronal precursor cells (cNPCs). Importantly, transcriptional regulation has been demonstrated to be a driving force in non-random genome organization. Thus, we constructed coarse-grained in silico networks using gene expression data to identify potential physical associations among chromosomes occurring in situ and then analyzed the three-dimensional (3D) distribution of these chromosomes, assessing how their associations contribute to nuclear organization. Our analysis suggests that coordinate regulation of differentially expressed genes is correlated with the 3D organization of chromosomes in hESC nuclei induced to differentiate to cNPCs.

Abstract We recently reported that loss of oligodendrocyte metabolic support through the lactate and pyruvate transporter Monocarboxylate Transporter 1 (MCT1) is well tolerated into adulthood. Only with advanced aging did we observe axonal degeneration and hypomyelination due to loss of MCT1 from oligodendroglia lineage cells. MCT1 is also expressed by other glial subtypes, such as astrocytes and endothelial cells where it has been suggested to be essential for learning and memory tasks. However, the importance of MCT1 in these cell types for long-term axonal metabolic support is still unknown. We therefore addressed whether conditional loss of MCT1 from either of these cell types would lead to widespread axonal degeneration with aging. Using a conditional null approach, similar to what was used for oligodendrocyte MCT1 depletion, we observed that conditional knockout of MCT1 from either astrocytes or endothelial cells did not cause neuronal injury. On the other hand, inducible ubiquitous depletion of MCT1 causes late-onset axonal degeneration, comparable with what was observed in our previous study using the oligodendrocyte lineage MCT1 null mice. In summary, we conclude that unlike oligodendrocyte MCT1, astrocyte MCT1 is not an essential driver of astrocyte mediated axonal energy homeostasis with aging.