Dipeptide repeat peptides on the attack Certain neurodegenerative diseases, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS), are associated with expanded dipeptides translated from RNA transcripts of disease-associated genes (see the Perspective by West and Gitler). Kwon et al. show that the peptides encoded by the expanded repeats in the C9orf72 gene interfere with the way cells make RNA and kill cells. These effects may account for how this genetic form of ALS causes disease. Working in Drosophila , Mizielinska et al. aimed to distinguish between the effects of repeat-containing RNAs and the dipeptide repeat peptides that they encode. The findings provide evidence that dipeptide repeat proteins can cause toxicity directly. Science , this issue p. 1139 and p. 1192 ; see also p. 1118

To identify novel genes associated with ALS, we undertook two lines of investigation. We carried out a genome-wide association study comparing 20,806 ALS cases and 59,804 controls. Independently, we performed a rare variant burden analysis comparing 1,138 index familial ALS cases and 19,494 controls. Through both approaches, we identified kinesin family member 5A (KIF5A) as a novel gene associated with ALS. Interestingly, mutations predominantly in the N-terminal motor domain of KIF5A are causative for two neurodegenerative diseases: hereditary spastic paraplegia (SPG10) and Charcot-Marie-Tooth type 2 (CMT2). In contrast, ALS-associated mutations are primarily located at the C-terminal cargo-binding tail domain and patients harboring loss-of-function mutations displayed an extended survival relative to typical ALS cases. Taken together, these results broaden the phenotype spectrum resulting from mutations in KIF5A and strengthen the role of cytoskeletal defects in the pathogenesis of ALS.

Ammar Al-Chalabi, Jan Veldink and colleagues perform a genome-wide association study for amyotrophic lateral sclerosis (ALS) in 15,156 cases and 26,242 controls. They identify three new genome-wide-significant variants and establish ALS as a complex trait with a polygenic architecture, but with a distinct and important role for low-frequency variants. To elucidate the genetic architecture of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and find associated loci, we assembled a custom imputation reference panel from whole-genome-sequenced patients with ALS and matched controls (n = 1,861). Through imputation and mixed-model association analysis in 12,577 cases and 23,475 controls, combined with 2,579 cases and 2,767 controls in an independent replication cohort, we fine-mapped a new risk locus on chromosome 21 and identified C21orf2 as a gene associated with ALS risk. In addition, we identified MOBP and SCFD1 as new associated risk loci. We established evidence of ALS being a complex genetic trait with a polygenic architecture. Furthermore, we estimated the SNP-based heritability at 8.5%, with a distinct and important role for low-frequency variants (frequency 1–10%). This study motivates the interrogation of larger samples with full genome coverage to identify rare causal variants that underpin ALS risk.

To test blood and CSF neurofilament light chain (NfL) levels in relation to disease progression and survival in amyotrophic lateral sclerosis (ALS).

The authors identify mutations in the MATR3 gene as a cause of ALS and dementia in several families. MATR3 is known to bind the ALS-associated protein TDP-43, and at least one of these mutations alters the efficiency of this binding. MATR3 is an RNA- and DNA-binding protein that interacts with TDP-43, a disease protein linked to amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia. Using exome sequencing, we identified mutations in MATR3 in ALS kindreds. We also observed MATR3 pathology in ALS-affected spinal cords with and without MATR3 mutations. Our data provide more evidence supporting the role of aberrant RNA processing in motor neuron degeneration.

Late-onset ataxia is common, often idiopathic, and can result from cerebellar, proprioceptive, or vestibular impairment; when in combination, it is also termed cerebellar ataxia, neuropathy, vestibular areflexia syndrome (CANVAS). We used non-parametric linkage analysis and genome sequencing to identify a biallelic intronic AAGGG repeat expansion in the replication factor C subunit 1 (RFC1) gene as the cause of familial CANVAS and a frequent cause of late-onset ataxia, particularly if sensory neuronopathy and bilateral vestibular areflexia coexist. The expansion, which occurs in the poly(A) tail of an AluSx3 element and differs in both size and nucleotide sequence from the reference (AAAAG)11 allele, does not affect RFC1 expression in patient peripheral and brain tissue, suggesting no overt loss of function. These data, along with an expansion carrier frequency of 0.7% in Europeans, implies that biallelic AAGGG expansion in RFC1 is a frequent cause of late-onset ataxia. Biallelic expansion of an intronic AAGGG repeat in RFC1 is identified here as a common cause of late-onset ataxia. This expansion occurs in the poly(A) tail of an AluSx3 element and is observed at a carrier frequency of 0.7% in populations of European ancestry.

Hexanucleotide repeat expansions in C9orf72 are a major cause of frontotemporal lobar degeneration (FTLD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Understanding the disease mechanisms and a method for clinical diagnostic genotyping have been hindered because of the difficulty in estimating the expansion size. We found 96 repeat-primed PCR expansions: 85/2,974 in six neurodegenerative diseases cohorts (FTLD, ALS, Alzheimer disease, sporadic Creutzfeldt-Jakob disease, Huntington disease-like syndrome, and other nonspecific neurodegenerative disease syndromes) and 11/7,579 (0.15%) in UK 1958 birth cohort (58BC) controls. With the use of a modified Southern blot method, the estimated expansion range (smear maxima) in cases was 800-4,400. Similarly, large expansions were detected in the population controls. Differences in expansion size and morphology were detected between DNA samples from tissue and cell lines. Of those in whom repeat-primed PCR detected expansions, 68/69 were confirmed by blotting, which was specific for greater than 275 repeats. We found that morphology in the expansion smear varied among different individuals and among different brain regions in the same individual. Expansion size correlated with age at clinical onset but did not differ between diagnostic groups. Evidence of instability of repeat size in control families, as well as neighboring SNP and microsatellite analyses, support multiple expansion events on the same haplotype background. Our method of estimating the size of large expansions has potential clinical utility. C9orf72-related disease might mimic several neurodegenerative disorders and, with potentially 90,000 carriers in the United Kingdom, is more common than previously realized.

Large expansions of a non-coding GGGGCC-repeat in the first intron of the C9orf72 gene are a common cause of both amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). G-rich sequences have a propensity for forming highly stable quadruplex structures in both RNA and DNA termed G-quadruplexes. G-quadruplexes have been shown to be involved in a range of processes including telomere stability and RNA transcription, splicing, translation and transport. Here we show using NMR and CD spectroscopy that the C9orf72 hexanucleotide expansion can form a stable G-quadruplex, which has profound implications for disease mechanism in ALS and FTD.

An expanded GGGGCC repeat in a non-coding region of the C9orf72 gene is a common cause of frontotemporal lobar degeneration (FTLD) and amyotrophic lateral sclerosis. Non-coding repeat expansions may cause disease by reducing the expression level of the gene they reside in, by producing toxic aggregates of repeat RNA termed RNA foci, or by producing toxic proteins generated by repeat-associated non-ATG translation. We present the first definitive report of C9orf72 repeat sense and antisense RNA foci using a series of C9FTLD cases, and neurodegenerative disease and normal controls. A sensitive and specific fluorescence in situ hybridisation protocol was combined with protein immunostaining to show that both sense and antisense foci were frequent, specific to C9FTLD, and present in neurons of the frontal cortex, hippocampus and cerebellum. High-resolution imaging also allowed accurate analyses of foci number and subcellular localisation. RNA foci were most abundant in the frontal cortex, where 51 % of neurons contained foci. RNA foci also occurred in astrocytes, microglia and oligodendrocytes but to a lesser degree than in neurons. RNA foci were observed in both TDP-43- and p62-inclusion bearing neurons, but not at a greater frequency than expected by chance. RNA foci abundance in the frontal cortex showed a significant inverse correlation with age at onset of disease. These data establish that sense and antisense C9orf72 repeat RNA foci are a consistent and specific feature of C9FTLD, providing new insight into the pathogenesis of C9FTLD.