Variants of UNC13A, a critical gene for synapse function, increase the risk of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia

Disordered proteins play an essential role in a wide variety of biological processes, and are often posttranslationally modified. One such protein is histone H1; its highly disordered C-terminal tail (CH1) condenses internucleosomal linker DNA in chromatin in a way that is still poorly understood. Moreover, CH1 is phosphorylated in a cell cycle-dependent manner that correlates with changes in the chromatin condensation level. Here we present a model system that recapitulates key aspects of the in vivo process, and also allows a detailed structural and biophysical analysis of the stages before and after condensation. CH1 remains disordered in the DNA-bound state, despite its nanomolar affinity. Phase-separated droplets (coacervates) form, containing higher-order assemblies of CH1/DNA complexes. Phosphorylation at three serine residues, spaced along the length of the tail, has little effect on the local properties of the condensate. However, it dramatically alters higher-order structure in the coacervate and reduces partitioning to the coacervate phase. These observations show that disordered proteins can bind tightly to DNA without a disorder-to-order transition. Importantly, they also provide mechanistic insights into how higher-order structures can be exquisitely sensitive to perturbation by posttranslational modifications, thus broadening the repertoire of mechanisms that might regulate chromatin and other macromolecular assemblies.

Abstract Crosslinking and Immunoprecipitation (CLIP) is a powerful technique to obtain transcriptome-wide maps of in vivo protein-RNA interactions, which are important to understand the post-transcriptional mechanisms mediated by RNA binding proteins (RBPs). Many variant CLIP protocols have been developed to improve the efficiency and convenience of cDNA library preparation. Here we describe an improved individual nucleotide resolution CLIP protocol (iiCLIP), which can be completed within 4 days from UV crosslinking to libraries for sequencing. For benchmarking, we directly compared PTBP1 iiCLIP libraries with the iCLIP2 protocol produced under standardised conditions, and with public eCLIP and iCLIP PTBP1 data. We visualised enriched motifs surrounding the identified crosslink positions and RNA maps of these crosslinks around the alternative exons regulated by PTBP1. Notably, motif enrichment was higher in iiCLIP and iCLIP2 in comparison to public eCLIP and iCLIP, and we show how this impacts the specificity of RNA maps. In conclusion, iiCLIP is technically convenient and efficient, and enables production of highly specific datasets for identifying RBP binding sites.

Abstract Variants within the UNC13A gene have long been known to increase risk of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), two related neurodegenerative diseases defined by mislocalization of the RNA-binding protein TDP-43. Here, we show that TDP-43 depletion induces robust inclusion of a cryptic exon (CE) within UNC13A , a critical synaptic gene, resulting in nonsense-mediated decay and protein loss. Strikingly, two common polymorphisms strongly associated with ALS/FTD risk directly alter TDP-43 binding within the CE or downstream intron, increasing CE inclusion in cultured cells and in patient brains. Our findings, which are the first to demonstrate a genetic link specifically between loss of TDP-43 nuclear function and disease, reveal both the mechanism by which UNC13A variants exacerbate the effects of decreased nuclear TDP-43 function, and provide a promising therapeutic target for TDP-43 proteinopathies. One-Sentence Summary Shared ALS/FTD risk variants increase the sensitivity of a cryptic exon in the synaptic gene UNC13A to TDP-43 depletion.

Abstract RNA sequencing libraries produced from fragmented RNA, especially Ribo-seq libraries, contain high proportions of reads from abundant non-coding RNAs. Here, we describe a streamlined Cas9-based protocol for removing abundant rRNA/ncRNA contaminants from Ribo-seq (or other small RNA-seq) libraries and an easy-to-use software tool, ribocutter , for designing ready-to-order sgRNA templates. Following sgRNA template design, the pool of templates is in vitro transcribed using a 1-step commercial kit, which produces enough sgRNAs for multiple treatments. A single multiplexed sequencing library is then treated with Cas9/sgRNAs, followed by a short PCR program, which can increase the fraction of useful reads by more than 3-fold. Comparison of samples before and after depletion demonstrates that Cas9 produces minimal off-target effects and preserves key features (eg. footprint length, periodicity) of Ribo-seq libraries. The method is thus highly effective, costs <£0.50 per sample, and minimises non-specific depletion and technical variation between samples.

Summary Mutations in the RNA binding protein (RBP) FUS cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and result in its nuclear depletion and cytoplasmic mislocalisation, with cytoplasmic gain of function thought to be crucial in pathogenesis. Here, we show that expression of mutant FUS at physiological levels drives translation inhibition in both mouse and human motor neurons. Rather than acting directly on the translation machinery, we find that mutant FUS forms cytoplasmic condensates that promote the phase separation of FMRP, another RBP associated with neurodegeneration and robustly involved in translation regulation. FUS and FMRP co-partition and repress translation in vitro . In our in vivo model, FMRP RNA targets are depleted from ribosomes. Our results identify a novel paradigm by which FUS mutations favour the condensed state of other RBPs, impacting on crucial biological functions, such as protein translation.

TDP-43 loss of function induces multiple splicing changes, including a cryptic exon in the amyotrophic lateral sclerosis and fronto-temporal lobar degeneration risk gene UNC13A, leading to nonsense-mediated decay of UNC13A transcripts and loss of protein. UNC13A is an active zone protein with an integral role in coordinating pre-synaptic function. Here, we show TDP-43 depletion induces a severe reduction in synaptic transmission, leading to an asynchronous pattern of network activity. We demonstrate that these deficits are largely driven by a single cryptic exon in UNC13A. Antisense oligonucleotides targeting the UNC13A cryptic exon robustly rescue UNC13A protein levels and restore normal synaptic function, providing a potential new therapeutic approach for ALS and other TDP-43-related disorders.

Abstract Ever-increasing volumes of sequencing data offer potential for large-scale meta-analyses to address significant biological questions. However, challenges such as insufficient data processing information, data quality concerns, and issues related to accessibility and curation often present obstacles. Additionally, most experimental biologists lack the time and expertise needed to independently analyse, manage and share their own data. To overcome these hurdles, we present Flow, a web-based platform that links bioinformatic analysis and database solutions with a user-friendly interface and web API. Flow currently accommodates a range of genomics methods and further DSL2-compliant Nextflow pipelines can be added via a simple JSON schema file. Deployable on local systems or cloud services, an instance is freely accessible to academic researchers at https://flow.bio .

A system enabling the expression of therapeutic proteins specifically in diseased cells would be transformative, providing greatly increased safety and the possibility of pre-emptive treatment. Here we describe 9TDP-REG9, a precision medicine approach primarily for amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), which exploits the cryptic splicing events that occur in cells with TDP-43 loss-of-function (TDP-LOF) in order to drive expression specifically in diseased cells. In addition to modifying existing cryptic exons for this purpose, we develop a deep-learning-powered algorithm for generating customisable cryptic splicing events, which can be embedded within virtually any coding sequence. By placing part of a coding sequence within a novel cryptic exon, we tightly couple protein expression to TDP-LOF. Protein expression is activated by TDP-LOF in vitro and in vivo, including TDP-LOF induced by cytoplasmic TDP-43 aggregation. In addition to generating a variety of fluorescent and luminescent reporters, we use this system to perform TDP-LOF-dependent genomic prime editing to ablate the UNC13A cryptic donor splice site. Furthermore, we design a panel of tightly gated, autoregulating vectors encoding a TDP-43/Raver1 fusion protein, which rescue key pathological cryptic splicing events. In summary, we combine deep-learning and rational design to create sophisticated splicing sensors, resulting in a platform that provides far safer therapeutics for neurodegeneration, potentially even enabling preemptive treatment of at-risk individuals.

Nuclear depletion and cytoplasmic aggregation of the RNA binding protein TDP-43 is the hallmark of ALS, occurring in over 97% of cases. A key consequence of TDP-43 nuclear loss is the de-repression of cryptic exons. Whilst TDP-43 regulated cryptic splicing is increasingly well catalogued, cryptic alternative polyadenylation (APA) events, which define the 39 end of last exons, have been largely overlooked, especially when not associated with novel upstream splice junctions. We developed a novel bioinformatic approach to reliably identify distinct APA event types: alternative last exons (ALE), 39UTR extensions (39Ext) and intronic polyadenylation (IPA) events. We identified novel neuronal cryptic APA sites induced by TDP-43 loss of function by systematically applying our pipeline to a compendium of publicly available and in house datasets. We find that TDP-43 binding sites and target motifs are enriched at these cryptic events and that TDP-43 can have both repressive and enhancing action on APA. Importantly, all categories of cryptic APA can also be identified in ALS and FTD post mortem brain regions with TDP-43 proteinopathy underlining their potential disease relevance. RNA-seq and Ribo-seq analyses indicate that distinct cryptic APA categories have different downstream effects on transcript and translation. Intriguingly, cryptic 39Exts occur in multiple transcription factors, such as ELK1, SIX3, and TLX1, and lead to an increase in wild-type protein levels and function. Finally, we show that an increase in RNA stability leading to a higher cytoplasmic localisation underlies these observations. In summary, we demonstrate that TDP-43 nuclear depletion induces a novel category of cryptic RNA processing events and we expand the palette of TDP-43 loss consequences by showing this can also lead to an increase in normal protein translation.