ABSTRACT Protein inclusions containing phosphorylated TDP-43 are a shared pathology in several neurodegenerative diseases including amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). However, most ALS/FTD patients do not have a mutation in TDP-43 or the enzymes directly regulating its phosphorylation. It is intriguing how TDP-43 becomes hyperphosphorylated in each disease condition. In a genetic screen for novel TDP-43 modifiers, we found that knockdown (KD) of CHMP2B , a key component of the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) machinery, suppressed TDP-43-mediated neurodegeneration in Drosophila . Further investigation using mammalian cells indicated that CHMP2B KD decreased whereas its overexpression (OE) increased TDP-43 phosphorylation levels. Moreover, a known FTD-causing mutation CHMP2B intron5 promoted hyperphosphorylation, insolubility and cytoplasmic accumulation of TDP-43. Interestingly, CHMP2B did not manifest these effects by its well-known function in the autophagy-lysosomal pathway. Instead, the kinase CK1 tightly regulated TDP-43 phosphorylation level in cells, and CHMP2B OE or CHMP2B Intron5 significantly decreased ubiquitination and the turnover of CK1 via the ubiquitin-proteasome (UPS) pathway. Finally, we showed that CHMP2B protein levels increased in the cerebral cortices of aged mice, which might underlie the age-associated TDP-43 pathology and disease onset. Together, our findings reveal a molecular link between the two ALS/FTD-pathogenic proteins CHMP2B and TDP-43, and provide an autophagy-independent mechanism for CHMP2B in pathogenesis. SIGNIFICANCE STATEMENT TDP-43 and CHMP2B are both ALS/FTD-associated proteins. Protein aggregations containing phosphorylated TDP-43 are a pathological hallmark of ALS/FTD; however, it is unclear how increased phosphorylation of TDP-43 occurs in diseases. The pathogenesis of CHMP2B has mainly been considered as a consequence of autophagy-lysosomal dysfunction. Here, we reveal that increase of CHMP2B levels (which occurs in aged mouse brains) or expression of the disease-causing mutation CHMP2B Intron5 promotes TDP-43 hyperphosphorylation, insolubility and cytoplasmic mislocalization. This effect is independent of the autophagy-lysosomal pathway but rather relies on the proteasome-mediated turnover of the kinase CK1 that phosphorylates TDP-43. Together, we provide a new molecular mechanism of CHMP2B pathogenesis by linking it to TDP-43 pathology via CK1.

Graphic Abstract Highlights (Up to four bullet points. The length of each highlight cannot exceed 85 characters, including spaces) Stress induces phase-separated TDP-43 NBs to alleviate cytotoxicity The two RRMs interact with different RNAs and act distinctly in the assembly of TDP-43 NBs LncRNA NEAT1 promotes TDP-43 LLPS and is upregulated in stressed neurons The ALS-causing D169G mutation is NB-defective and forms pTDP-43 cytoplasmic foci Summary Despite the prominent role of TDP-43 in neurodegeneration, its physiological and pathological functions are not fully understood. Here, we report an unexpected function of TDP-43 in the formation of dynamic, reversible, liquid droplet-like nuclear bodies (NBs) in response to stress. Formation of NBs alleviates TDP-43-mediated cytotoxicity in mammalian cells and fly neurons. Super-resolution microscopy reveals a “core-shell” organization of TDP-43 NBs, antagonistically maintained by the two RRMs. TDP-43 NBs are partially colocalized with nuclear paraspeckles, whose scaffolding lncRNA NEAT1 is dramatically upregulated in stressed neurons. Moreover, increase of NEAT1 promotes TDP-43 liquid-liquid phase separation (LLPS) in vitro . Finally, we uncover that the ALS-associated mutation D169G impairs the NEAT1 -mediated TDP-43 LLPS and NB assembly, causing excessive cytoplasmic translocation of TDP-43 to form stress granules that become phosphorylated TDP-43 cytoplasmic foci upon prolonged stress. Together, our findings suggest a stress-mitigating role and mechanism of TDP-43 NBs, whose dysfunction may be involved in ALS pathogenesis.

Mutations in RNA-binding proteins localized in ribonucleoprotein (RNP) granules, such as hnRNP A1 and TDP-43, promote aberrant protein aggregations, which are pathological hallmarks in neurodegenerative diseases including amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). Protein posttranslational modifications (PTMs) are known to regulate RNP granules. In this study, we investigate the function of PARylation, an important PTM involved in DNA damage repair and cell death, in RNP-related neurodegeneration. We reveal that PARylation levels are a major regulator of the dynamic assembly-disassembly of RNP granules, and the disease-related RNPs such as hnRNP A1 and TDP-43 can both be PARylated and bind to PARylated proteins. We further identify the PARylation site of hnRNP A1 at K298, which controls the cytoplasmic translocation of hnRNP A1 in response to stress, as well as the PAR-binding motif (PBM) of hnRNP A1, which is required for the delivery and association of hnRNP A1 to stress granules. Moreover, we show that PAR not only dramatically enhances the liquid-liquid phase separation of hnRNP A1, but also promotes the co-phase separation of hnRNP A1 and TDP-43 in vitro and their interaction in vivo. Finally, we establish that both genetic and pharmacological inhibition of PARP mitigates hnRNP A1 and TDP-43-mediated neurotoxicity in cell and Drosophila models of ALS. Together, our findings indicate a novel and crucial role of PARylation in regulating the assembly and the dynamics of RNP granules, and dysregulation of PARylation may contribute to ALS disease pathogenesis.

ABSTRACT While spinal cord injury (SCI) involves a complex cascade of cellular and pathological changes that last for months to years, the most dramatic and comprehensive molecular rewiring and multicellular re-organization occur in the first few days, which determine the overall progression and prognosis of SCI, yet remain poorly understood. Here, we resolved the spatiotemporal architecture of multicellular gene expression in a mouse model of acute SCI, and revealed the coordinated gene co-expression networks, the upstream regulatory programs, and in situ cell-cell interactions that underlay the anatomic disorganization as well as the immune and inflammatory responses conferring the secondary injury. The spatial transcriptomic analysis highlights that the genes and cell types in the white matter (WM) play a more active and predominant role in the early stage of SCI. In particular, we identified a distinct population of WM-originated, Igfbp2 -expressing reactive astrocytes, which migrated to the grey matter and expressed multiple axon/synapse-supporting molecules that may foster neuron survival and spinal cord recovery in the acute phase. Together, our dataset and analyses not only showcase the spatially-defined molecular features endowing the cell (sub)types with new biological significance but also provide a molecular atlas for disentangling the spatiotemporal organization of the mammalian SCI and advancing the injury management.