The authors identify brain RNA targets for TDP-43, a RNA binding protein linked to ALS. RNAs derived from genes with very long introns were more affected by TDP-43 levels. TDP-43 also auto-regulated its own synthesis, partly by binding and enhancing the splicing of an intron in its 3′ UTR We used cross-linking and immunoprecipitation coupled with high-throughput sequencing to identify binding sites in 6,304 genes as the brain RNA targets for TDP-43, an RNA binding protein that, when mutated, causes amyotrophic lateral sclerosis. Massively parallel sequencing and splicing-sensitive junction arrays revealed that levels of 601 mRNAs were changed (including Fus (Tls), progranulin and other transcripts encoding neurodegenerative disease–associated proteins) and 965 altered splicing events were detected (including in sortilin, the receptor for progranulin) following depletion of TDP-43 from mouse adult brain with antisense oligonucleotides. RNAs whose levels were most depleted by reduction in TDP-43 were derived from genes with very long introns and that encode proteins involved in synaptic activity. Lastly, we found that TDP-43 autoregulates its synthesis, in part by directly binding and enhancing splicing of an intron in the 3′ untranslated region of its own transcript, thereby triggering nonsense-mediated RNA degradation.

In this study, the authors compare the RNA binding patterns of FUS/TLS and TDP-43. Although these proteins regulate the processing of mostly distinct gene products, they do show concurrent regulation of a subset of neuronal transcripts that all have exceptionally long introns. FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma) and TDP-43 are integrally involved in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia. We found that FUS/TLS binds to RNAs from >5,500 genes in mouse and human brain, primarily through a GUGGU-binding motif. We identified a sawtooth-like binding pattern, consistent with co-transcriptional deposition of FUS/TLS. Depletion of FUS/TLS from the adult nervous system altered the levels or splicing of >950 mRNAs, most of which are distinct from RNAs dependent on TDP-43. Abundance of only 45 RNAs was reduced after depletion of either TDP-43 or FUS/TLS from mouse brain, but among these were mRNAs that were transcribed from genes with exceptionally long introns and that encode proteins that are essential for neuronal integrity. Expression levels of a subset of these were lowered after TDP-43 or FUS/TLS depletion in stem cell–derived human neurons and in TDP-43 aggregate–containing motor neurons in sporadic ALS, supporting a common loss-of-function pathway as one component underlying motor neuron death from misregulation of TDP-43 or FUS/TLS.

Significance The most frequent genetic cause of ALS and frontotemporal degeneration is a hexanucleotide expansion in a noncoding region of the C9orf72 gene. Similar to other repeat expansion diseases, we characterize the hallmark feature of repeat expansion RNA-mediated toxicity: nuclear RNA foci. Remarkably, two distinct sets of foci are found, one containing RNAs transcribed in the sense direction and the other containing antisense RNAs. Antisense oligonucleotides (ASOs) are developed that selectively target sense strand repeat-containing RNAs and reduce sense-oriented foci without affecting overall C9orf72 expression. Importantly, reducing C9orf72 expression does not cause behavioral or pathological changes in mice and induces only a few genome-wide mRNA alterations. These findings establish ASO-mediated degradation of repeat-containing RNAs as a significant therapeutic approach.

Hexanucleotide expansions in C9ORF72 are the most frequent genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. Disease mechanisms were evaluated in mice expressing C9ORF72 RNAs with up to 450 GGGGCC repeats or with one or both C9orf72 alleles inactivated. Chronic 50% reduction of C9ORF72 did not provoke disease, while its absence produced splenomegaly, enlarged lymph nodes, and mild social interaction deficits, but not motor dysfunction. Hexanucleotide expansions caused age-, repeat-length-, and expression-level-dependent accumulation of RNA foci and dipeptide-repeat proteins synthesized by AUG-independent translation, accompanied by loss of hippocampal neurons, increased anxiety, and impaired cognitive function. Single-dose injection of antisense oligonucleotides (ASOs) that target repeat-containing RNAs but preserve levels of mRNAs encoding C9ORF72 produced sustained reductions in RNA foci and dipeptide-repeat proteins, and ameliorated behavioral deficits. These efforts identify gain of toxicity as a central disease mechanism caused by repeat-expanded C9ORF72 and establish the feasibility of ASO-mediated therapy.

Significance Mutations in the RNA binding protein TDP-43 cause amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. Through expressing disease-causing mutants in mice and genome-wide RNA splicing analyses, mutant TDP-43 is shown to retain normal or enhanced activity for facilitating splicing of some RNA targets, but “loss-of-function” for others. These splicing changes, as well as age-dependent, mutant-dependent lower motor neuron disease, occur without loss of nuclear TDP-43 or accumulation of insoluble aggregates of TDP-43.

Dominant mutations in two functionally related DNA/RNA-binding proteins, trans-activating response region (TAR) DNA-binding protein with a molecular mass of 43 KDa (TDP-43) and fused in sarcoma/translocation in liposarcoma (FUS/TLS), cause an inherited form of ALS that is accompanied by nuclear and cytoplasmic aggregates containing TDP-43 or FUS/TLS. Using isogenic cell lines expressing wild-type or ALS-linked TDP-43 mutants and fibroblasts from a human patient, pulse-chase radiolabeling of newly synthesized proteins is used to determine, surprisingly, that ALS-linked TDP-43 mutant polypeptides are more stable than wild-type TDP-43. Tandem-affinity purification and quantitative mass spectrometry are used to identify TDP-43 complexes not only with heterogeneous nuclear ribonucleoproteins family proteins, as expected, but also with components of Drosha microprocessor complexes, consistent with roles for TDP-43 in both mRNA processing and microRNA biogenesis. A fraction of TDP-43 is shown to be complexed with FUS/TLS, an interaction substantially enhanced by TDP-43 mutants. Taken together, abnormal stability of mutant TDP-43 and its enhanced binding to normal FUS/TLS imply a convergence of pathogenic pathways from mutant TDP-43 and FUS/TLS in ALS.

The RNA-binding protein FUS/TLS, mutation in which is causative of the fatal motor neuron disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS), is demonstrated to directly bind to the U1-snRNP and SMN complexes. ALS-causative mutations in FUS/TLS are shown to abnormally enhance their interaction with SMN and dysregulate its function, including loss of Gems and altered levels of small nuclear RNAs. The same mutants are found to have reduced association with U1-snRNP. Correspondingly, global RNA analysis reveals a mutant-dependent loss of splicing activity, with ALS-linked mutants failing to reverse changes caused by loss of wild-type FUS/TLS. Furthermore, a common FUS/TLS mutant-associated RNA splicing signature is identified in ALS patient fibroblasts. Taken together, these studies establish potentially converging disease mechanisms in ALS and spinal muscular atrophy, with ALS-causative mutants acquiring properties representing both gain (dysregulation of SMN) and loss (reduced RNA processing mediated by U1-snRNP) of function. Dominant mutations in the RNA-binding protein FUS/TLS cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS), an adult-onset motor neuron degenerative disease. Here, the authors show that ALS-causative FUS/TLS mutations directly bind the SMN and U1-snRNP complexes, producing both loss and gain of function effects on RNA processing.

Through the generation of humanized FUS mice expressing full-length human FUS, we identify that when expressed at near endogenous murine FUS levels, both wild-type and ALS-causing and frontotemporal dementia (FTD)-causing mutations complement the essential function(s) of murine FUS. Replacement of murine FUS with mutant, but not wild-type, human FUS causes stress-mediated induction of chaperones, decreased expression of ion channels and transporters essential for synaptic function, and reduced synaptic activity without loss of nuclear FUS or its cytoplasmic aggregation. Most strikingly, accumulation of mutant human FUS is shown to activate an integrated stress response and to inhibit local, intra-axonal protein synthesis in hippocampal neurons and sciatic nerves. Collectively, our evidence demonstrates that human ALS/FTD-linked mutations in FUS induce a gain of toxicity that includes stress-mediated suppression in intra-axonal translation, synaptic dysfunction, and progressive age-dependent motor and cognitive disease without cytoplasmic aggregation, altered nuclear localization, or aberrant splicing of FUS-bound pre-mRNAs.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIxMmRlZWFhNjg5NDM0ZDhkYzQwZmE3YTVkYjk0MDk3ZiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NjcxNzg2fQ.oWGg-0E0QC7xiVxxAdRu5p48JozVzEK08FcO4VcvSnGO-rRCfxnGxjjfpXUlmU_dGxJKbamAvz8CX7Z9P64Il-BEEQzawip8NDZqvj7IsVahdMCTEHzxJ3Gj6LVXt5SLjTw1tdAdnf7xZz9sxSptk012izHRwJM57W5gwpoBzVLNjfGhDL19Y9NHfSjrWb3qsCXlhzjuYGqyQDzUTjSJy6Y3x9pFQKS-zc1brUgdfHwtTTtN2YedKrWQr5RA4LVDG1245liEAPG8iYYBb-hV3Exg6UE7QqlZhYWmUMeCCFTRiaOQ7GFOquiRRbSrvy_VGyxIBz2wH46YiVmFXb4UWA(mp4, (114.81 MB) Download video

Abstract Cohesin plays a crucial role in the organization of topologically-associated domains (TADs), which influence gene expression and DNA replication timing. Whether epigenetic regulators may affect TADs via cohesin to mediate DNA replication remains elusive. Here, we discover that the histone demethylase PHF2 associates with RAD21, a core subunit of cohesin, to regulate DNA replication in mouse neural stem cells (NSC). PHF2 loss impairs DNA replication due to the activation of dormant replication origins in NSC. Notably, the PHF2/RAD21 co-bound genomic regions are characterized by CTCF enrichment and epigenomic features that resemble efficient, active replication origins, and can act as boundaries to separate adjacent domains. Accordingly, PHF2 loss weakens TADs and chromatin loops at the co-bound loci due to reduced RAD21 occupancy. The observed topological and DNA replication defects in PHF2 KO NSC support a cohesin-dependent mechanism. Furthermore, we demonstrate that the PHF2/RAD21 complex exerts little effect on gene regulation, and that PHF2’s histone-demethylase activity is dispensable for normal DNA replication and proliferation of NSC. We propose that PHF2 may serve as a topological accessory to cohesin for cohesin localization to TADs and chromatin loops, where cohesin represses dormant replication origins directly or indirectly, to sustain DNA replication in NSC.

The ubiquity of polystyrene nanoplastics (PS-NPs) in our environment raises substantial concerns about their potential impact on human health. Recent studies have shown that PS-NPs cross the blood-brain-barrier and accumulate in the central nervous system (CNS), raising the concerns on the causal role of PS-NP exposure and neurodegenerative diseases. In this study, we utilized human-induced pluripotent stem cell-derived neurons to examine the effects of PS-NPs on neuronal function and health. Our results revealed that PS-NPs penetrate neuronal cells in a size-dependent manner, and are bound by various cellular proteins, including TDP43, a key protein implicated in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Interestingly, CK1 and GSK3beta kinases that are known to phosphorylate TDP-43 were found to be associated with PS-NPs. This observation suggests that PS-NPs may play a role in facilitating conditions that lead to TDP43 phosphorylation. We further demonstrate that exposure to healthy motor neurons with PS-NPs resulted in ALS-like phenotypes, characterized by hyperphosphorylated TDP-43, disrupted neuronal morphology, impaired mitochondrial respiration, and accelerated motor neuron death. These findings suggest that PS-NPs contribute to the pathogenesis of neurodegenerative diseases such as ALS and highlight the urgent need for strategies to limit human exposure to nanoplastics.