Algorithms designed to identify canonical yeast prions predict that around 250 human proteins, including several RNA-binding proteins associated with neurodegenerative disease, harbour a distinctive prion-like domain (PrLD) enriched in uncharged polar amino acids and glycine. PrLDs in RNA-binding proteins are essential for the assembly of ribonucleoprotein granules. However, the interplay between human PrLD function and disease is not understood. Here we define pathogenic mutations in PrLDs of heterogeneous nuclear ribonucleoproteins (hnRNPs) A2B1 and A1 in families with inherited degeneration affecting muscle, brain, motor neuron and bone, and in one case of familial amyotrophic lateral sclerosis. Wild-type hnRNPA2 (the most abundant isoform of hnRNPA2B1) and hnRNPA1 show an intrinsic tendency to assemble into self-seeding fibrils, which is exacerbated by the disease mutations. Indeed, the pathogenic mutations strengthen a ‘steric zipper’ motif in the PrLD, which accelerates the formation of self-seeding fibrils that cross-seed polymerization of wild-type hnRNP. Notably, the disease mutations promote excess incorporation of hnRNPA2 and hnRNPA1 into stress granules and drive the formation of cytoplasmic inclusions in animal models that recapitulate the human pathology. Thus, dysregulated polymerization caused by a potent mutant steric zipper motif in a PrLD can initiate degenerative disease. Related proteins with PrLDs should therefore be considered candidates for initiating and perhaps propagating proteinopathies of muscle, brain, motor neuron and bone. The identification of pathogenic mutations within prion-like domains (PrLDs) of the RNA-binding proteins hnRNPA2B1 and hnRNPA1 add to our understanding of how mutations in these proteins lead to degenerative disease, and highlight the potential importance of PrLDs in degenerative diseases of the nervous system, muscle and bone. How do mutations in RNA-binding proteins cause human disease, and neurodegeneration in particular? Hong Joo Kim et al. have identified mutations in two RNA-binding proteins, hnRNPA2B1 and hnRNPA1, in two families with inclusion body myopathy with frontotemporal dementia. Both of the mutations lie within a highly conserved part of a protein domain that has similarities to prion proteins, and a tendency to aggregate. This aggregation is enhanced by the mutations. The mutated prion-like domain of hnRNPA2 can functionally replace that of a yeast prion protein and reproduce its prion-like behaviour. These findings have relevance to the pathogenesis of degenerative diseases and proteinopathies such as amyotrophic lateral sclerosis.

Summary

 The mechanisms underlying ribonucleoprotein (RNP) granule assembly, including the basis for establishing and maintaining RNP granules with distinct composition, are unknown. One prominent type of RNP granule is the stress granule (SG), a dynamic and reversible cytoplasmic assembly formed in eukaryotic cells in response to stress. Here, we show that SGs assemble through liquid-liquid phase separation (LLPS) arising from interactions distributed unevenly across a core protein-RNA interaction network. The central node of this network is G3BP1, which functions as a molecular switch that triggers RNA-dependent LLPS in response to a rise in intracellular free RNA concentrations. Moreover, we show that interplay between three distinct intrinsically disordered regions (IDRs) in G3BP1 regulates its intrinsic propensity for LLPS, and this is fine-tuned by phosphorylation within the IDRs. Further regulation of SG assembly arises through positive or negative cooperativity by extrinsic G3BP1-binding factors that strengthen or weaken, respectively, the core SG network.

An unbiased genetic screen in Drosophila expressing G4C2-repeat-containing transcripts (repeats that in human cause pathogenesis in C9orf72-related neurological disease) finds genes that encode components of the nuclear pore and nucleocytoplasmic transport machinery, and reveals that G4C2 expanded-repeat-induced alterations in nucleocytoplasmic transport contribute to C9orf72 pathology and neurodegeneration. 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. The GGGGCC (G4C2) repeat expansion in a noncoding region of C9orf72 is the most common cause of sporadic and familial forms of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia1,2. The basis for pathogenesis is unknown. To elucidate the consequences of G4C2 repeat expansion in a tractable genetic system, we generated transgenic fly lines expressing 8, 28 or 58 G4C2-repeat-containing transcripts that do not have a translation start site (AUG) but contain an open-reading frame for green fluorescent protein to detect repeat-associated non-AUG (RAN) translation. We show that these transgenic animals display dosage-dependent, repeat-length-dependent degeneration in neuronal tissues and RAN translation of dipeptide repeat (DPR) proteins, as observed in patients with C9orf72-related disease. This model was used in a large-scale, unbiased genetic screen, ultimately leading to the identification of 18 genetic modifiers that encode components of the nuclear pore complex (NPC), as well as the machinery that coordinates the export of nuclear RNA and the import of nuclear proteins. Consistent with these results, we found morphological abnormalities in the architecture of the nuclear envelope in cells expressing expanded G4C2 repeats in vitro and in vivo. Moreover, we identified a substantial defect in RNA export resulting in retention of RNA in the nuclei of Drosophila cells expressing expanded G4C2 repeats and also in mammalian cells, including aged induced pluripotent stem-cell-derived neurons from patients with C9orf72-related disease. These studies show that a primary consequence of G4C2 repeat expansion is the compromise of nucleocytoplasmic transport through the nuclear pore, revealing a novel mechanism of neurodegeneration.

Expansion of a hexanucleotide repeat GGGGCC (G4C2) in C9ORF72 is the most common cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Transcripts carrying (G4C2) expansions undergo unconventional, non-ATG-dependent translation, generating toxic dipeptide repeat (DPR) proteins thought to contribute to disease. Here, we identify the interactome of all DPRs and find that arginine-containing DPRs, polyGly-Arg (GR) and polyPro-Arg (PR), interact with RNA-binding proteins and proteins with low complexity sequence domains (LCDs) that often mediate the assembly of membrane-less organelles. Indeed, most GR/PR interactors are components of membrane-less organelles such as nucleoli, the nuclear pore complex and stress granules. Genetic analysis in Drosophila demonstrated the functional relevance of these interactions to DPR toxicity. Furthermore, we show that GR and PR altered phase separation of LCD-containing proteins, insinuating into their liquid assemblies and changing their material properties, resulting in perturbed dynamics and/or functions of multiple membrane-less organelles.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are age-related neurodegenerative disorders with shared genetic etiologies and overlapping clinical and pathological features. Here we studied a novel ALS/FTD family and identified the P362L mutation in the low-complexity domain (LCD) of T cell-restricted intracellular antigen-1 (TIA1). Subsequent genetic association analyses showed an increased burden of TIA1 LCD mutations in ALS patients compared to controls (p = 8.7 × 10-6). Postmortem neuropathology of five TIA1 mutations carriers showed a consistent pathological signature with numerous round, hyaline, TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43)-positive inclusions. TIA1 mutations significantly increased the propensity of TIA1 protein to undergo phase transition. In live cells, TIA1 mutations delayed stress granule (SG) disassembly and promoted the accumulation of non-dynamic SGs that harbored TDP-43. Moreover, TDP-43 in SGs became less mobile and insoluble. The identification of TIA1 mutations in ALS/FTD reinforces the importance of RNA metabolism and SG dynamics in ALS/FTD pathogenesis.

A decrease in ataxin-2 levels leads to a reduction in the aggregation of TDP-43, markedly increased lifespan and improved motor function in a transgenic mouse model of TDP-43 proteinopathy. Ataxin-2 polyglutamine expansions increase the risk for amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and cause spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2), two neurodegenerative diseases without a cure. A pair of papers this week report therapeutic approaches towards reducing ataxin-2. Nearly all ALS patients have toxic aggregates of the protein TDP-43 in the brain and spinal cord. Lowering ataxin-2 has been shown to suppress TDP-43 toxicity in yeast and flies, and Lindsay Becker et al. now show that lowering ataxin-2 in mice, genetically or with antisense oligonucleotides, reduces TDP-43 aggregation and toxicity, improves motor function and increases lifespan. Elsewhere in this issue, Daniel Scoles et al. test antisense oligonucleotides (ASOs) against ataxin-2 in mice models of SCA2 that recreate progressive adult-onset dysfunction and degeneration of the neuronal network. The most promising therapeutic lead is ASO7, which downregulates ATXN2 mRNA and protein and delays the onset of SCA2 phenotypes. Moreover, treatment of symptomatic mice normalizes firing of cerebellar Purkinje cells and improves motor functioning. Both papers suggest that antisense oligonucleotide-based therapeutic approaches could be used to tackle neurodegeneration. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a rapidly progressing neurodegenerative disease that is characterized by motor neuron loss and that leads to paralysis and death 2–5 years after disease onset1. Nearly all patients with ALS have aggregates of the RNA-binding protein TDP-43 in their brains and spinal cords2, and rare mutations in the gene encoding TDP-43 can cause ALS3. There are no effective TDP-43-directed therapies for ALS or related TDP-43 proteinopathies, such as frontotemporal dementia. Antisense oligonucleotides (ASOs) and RNA-interference approaches are emerging as attractive therapeutic strategies in neurological diseases4. Indeed, treatment of a rat model of inherited ALS (caused by a mutation in Sod1) with ASOs against Sod1 has been shown to substantially slow disease progression5. However, as SOD1 mutations account for only around 2–5% of ALS cases, additional therapeutic strategies are needed. Silencing TDP-43 itself is probably not appropriate, given its critical cellular functions1,6. Here we present a promising alternative therapeutic strategy for ALS that involves targeting ataxin-2. A decrease in ataxin-2 suppresses TDP-43 toxicity in yeast and flies7, and intermediate-length polyglutamine expansions in the ataxin-2 gene increase risk of ALS7,8. We used two independent approaches to test whether decreasing ataxin-2 levels could mitigate disease in a mouse model of TDP-43 proteinopathy9. First, we crossed ataxin-2 knockout mice with TDP-43 (also known as TARDBP) transgenic mice. The decrease in ataxin-2 reduced aggregation of TDP-43, markedly increased survival and improved motor function. Second, in a more therapeutically applicable approach, we administered ASOs targeting ataxin-2 to the central nervous system of TDP-43 transgenic mice. This single treatment markedly extended survival. Because TDP-43 aggregation is a component of nearly all cases of ALS6, targeting ataxin-2 could represent a broadly effective therapeutic strategy.

RNA-binding proteins (RBPs) with prion-like domains (PrLDs) phase transition to functional liquids, which can mature into aberrant hydrogels composed of pathological fibrils that underpin fatal neurodegenerative disorders. Several nuclear RBPs with PrLDs, including TDP-43, FUS, hnRNPA1, and hnRNPA2, mislocalize to cytoplasmic inclusions in neurodegenerative disorders, and mutations in their PrLDs can accelerate fibrillization and cause disease. Here, we establish that nuclear-import receptors (NIRs) specifically chaperone and potently disaggregate wild-type and disease-linked RBPs bearing a NLS. Karyopherin-β2 (also called Transportin-1) engages PY-NLSs to inhibit and reverse FUS, TAF15, EWSR1, hnRNPA1, and hnRNPA2 fibrillization, whereas Importin-α plus Karyopherin-β1 prevent and reverse TDP-43 fibrillization. Remarkably, Karyopherin-β2 dissolves phase-separated liquids and aberrant fibrillar hydrogels formed by FUS and hnRNPA1. In vivo, Karyopherin-β2 prevents RBPs with PY-NLSs accumulating in stress granules, restores nuclear RBP localization and function, and rescues degeneration caused by disease-linked FUS and hnRNPA2. Thus, NIRs therapeutically restore RBP homeostasis and mitigate neurodegeneration.

These two studies show that primary cilia can either mediate or suppress tumorigenesis in models of basal cell carcinoma and medulloblastoma, respectively, depending on the nature of the initial oncogenic event ( pages 994–996 ) and ( pages 1055–1061 ). Recent work has shown that primary cilia are essential for Hedgehog (Hh) signaling during mammalian development1,2,3,4,5,6,7,8,9. It is also known that aberrant Hh signaling can lead to cancer10, but the role of primary cilia in oncogenesis is not known. Cerebellar granule neuron precursors (GNPs) can give rise to medulloblastomas, the most common malignant brain tumor in children11,12. The primary cilium and Hh signaling are required for GNP proliferation8,12,13,14,15. We asked whether primary cilia in GNPs have a role in medulloblastoma growth in mice. Genetic ablation of primary cilia blocked medulloblastoma formation when this tumor was driven by a constitutively active Smoothened protein (Smo), an upstream activator of Hh signaling. In contrast, removal of cilia was required for medulloblastoma growth by a constitutively active glioma-associated oncogene family zinc finger-2 (GLI2), a downstream transcription factor. Thus, primary cilia are either required for or inhibit medulloblastoma formation, depending on the initiating oncogenic event. Remarkably, the presence or absence of cilia was associated with specific variants of human medulloblastomas; primary cilia were found in medulloblastomas with activation in HH or WNT signaling but not in most medulloblastomas in other distinct molecular subgroups. Primary cilia could serve as a diagnostic tool and provide new insights into the mechanism of tumorigenesis.