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.

Reactive oxygen species (ROS) and mitochondrial defects in neurons are implicated in neurodegenerative disease. Here, we find that a key consequence of ROS and neuronal mitochondrial dysfunction is the accumulation of lipid droplets (LD) in glia. In Drosophila, ROS triggers c-Jun-N-terminal Kinase (JNK) and Sterol Regulatory Element Binding Protein (SREBP) activity in neurons leading to LD accumulation in glia prior to or at the onset of neurodegeneration. The accumulated lipids are peroxidated in the presence of ROS. Reducing LD accumulation in glia and lipid peroxidation via targeted lipase overexpression and/or lowering ROS significantly delays the onset of neurodegeneration. Furthermore, a similar pathway leads to glial LD accumulation in Ndufs4 mutant mice with neuronal mitochondrial defects, suggesting that LD accumulation following mitochondrial dysfunction is an evolutionarily conserved phenomenon, and represents an early, transient indicator and promoter of neurodegenerative disease.

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.

Invertebrate model systems are powerful tools for studying human disease owing to their genetic tractability and ease of screening. We conducted a mosaic genetic screen of lethal mutations on the Drosophila X chromosome to identify genes required for the development, function, and maintenance of the nervous system. We identified 165 genes, most of whose function has not been studied in vivo. In parallel, we investigated rare variant alleles in 1,929 human exomes from families with unsolved Mendelian disease. Genes that are essential in flies and have multiple human homologs were found to be likely to be associated with human diseases. Merging the human data sets with the fly genes allowed us to identify disease-associated mutations in six families and to provide insights into microcephaly associated with brain dysgenesis. This bidirectional synergism between fly genetics and human genomics facilitates the functional annotation of evolutionarily conserved genes involved in human health.

Huntington’s disease (HD) is caused by an expanded CAG repeat in the Huntingtin (HTT) gene. The mechanism(s) by which mutant HTT (mHTT) causes disease is unclear. Nucleocytoplasmic transport, the trafficking of macromolecules between the nucleus and cytoplasm, is tightly regulated by nuclear pore complexes (NPCs) made up of nucleoporins (NUPs). Previous studies offered clues that mHTT may disrupt nucleocytoplasmic transport and a mutation of an NUP can cause HD-like pathology. Therefore, we evaluated the NPC and nucleocytoplasmic transport in multiple models of HD, including mouse and fly models, neurons transfected with mHTT, HD iPSC-derived neurons, and human HD brain regions. These studies revealed severe mislocalization and aggregation of NUPs and defective nucleocytoplasmic transport. HD repeat-associated non-ATG (RAN) translation proteins also disrupted nucleocytoplasmic transport. Additionally, overexpression of NUPs and treatment with drugs that prevent aberrant NUP biology also mitigated this transport defect and neurotoxicity, providing future novel therapy targets.

Abstract Human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines are a powerful tool for studying development and disease, but the considerable phenotypic variation between lines makes it challenging to replicate key findings and integrate data across research groups. To address this issue, we sub-cloned candidate iPSC lines and deeply characterised their genetic properties using whole genome sequencing, their genomic stability upon CRISPR/Cas9-based gene editing, and their phenotypic properties including differentiation to commonly-used cell types. These studies identified KOLF2.1J as an all-around well-performing iPSC line. We then shared KOLF2.1J with groups around the world who tested its performance in head-to-head comparisons with their own preferred iPSC lines across a diverse range of differentiation protocols and functional assays. On the strength of these findings, we have made KOLF2.1J and hundreds of its gene-edited derivative clones readily accessible to promote the standardization required for large-scale collaborative science in the stem cell field. Summary The authors of this collaborative study deeply characterized human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines to rationally select a clonally-derived cell line that performs well across multiple modalities. KOLF2.1J was identified as a candidate reference cell line based on single-cell analysis of its gene expression in the pluripotent state, whole genome sequencing, genomic stability after highly efficient CRISPR-mediated gene editing, integrity of the p53 pathway, and the efficiency with which it differentiated into multiple target cell populations. Since it is deeply characterized and can be readily acquired, KOLF2.1J is an attractive reference cell line for groups working with iPSCs. Graphical abstract

Abstract Eukaryotic cells respond to stress via adaptive programs that include reversible shutdown of key cellular processes, the formation of stress granules, and a global increase in ubiquitination. The primary function of this ubiquitination is generally considered to be tagging damaged or misfolded proteins for degradation. Here we show that different types of stress generate distinct ubiquitination patterns. For heat stress, ubiquitination correlates with cellular activities that are downregulated during stress, including nucleocytoplasmic transport and translation, as well as with stress granule constituents. Ubiquitination is not required for the shutdown of these processes or for stress granule formation, but is essential for resumption of cellular activities and for stress granule disassembly. These findings indicate that stress-induced ubiquitination primes the cell for recovery following heat stress. One Sentence Summary Stress-induced ubiquitination is essential for recovery of cellular activities following heat stress.

Abstract Disrupted nucleocytoplasmic transport (NCT) has been implicated in neurodegenerative disease pathogenesis; however, the mechanisms by which impaired NCT causes neurodegeneration remain unclear. In a Drosophila screen, we identified Ref(2)p/p62, a key regulator of autophagy, as a potent suppressor of neurodegeneration caused by the GGGGCC hexanucleotide repeat expansion (G4C2 HRE) in C9orf72 that causes amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). We found that p62 is increased and forms ubiquitinated aggregates due to decreased autophagic cargo degradation. Immunofluorescence and electron microscopy of Drosophila tissues demonstrate an accumulation of lysosome-like organelles that precedes neurodegeneration. These phenotypes are partially caused by cytoplasmic mislocalization of Mitf/TFEB, a key transcriptional regulator of autophagolysosomal function. Additionally, TFEB is mislocalized and downregulated in human cells expressing GGGGCC repeats and in C9-ALS patient motor cortex. Our data suggest that the C9orf72-HRE impairs Mitf/TFEB nuclear import, thereby disrupting autophagy and exacerbating proteostasis defects in C9-ALS/FTD.