Background The recently postulated “disease spreading hypothesis” has gained much attention, especially for Parkinson’s disease (PD). The various non-motor symptoms (NMS) in neurodegenerative diseases would be much better explained by this hypothesis than by the degeneration of disease-specific cell populations. Motor neuron disease (MND) is primarily known as a group of diseases with a selective loss of motor function. However, recent evidence suggests disease spreading into non-motor brain regions also in MND. The aim of this study was to comprehensively detect NMS in patients suffering from MND. Methods We used a self-rating questionnaire including 30 different items of gastrointestinal, autonomic, neuropsychiatric, and sleep complaints [NMS questionnaire (NMSQuest)], which is an established tool in PD patients. 90 MND patients were included and compared to 96 controls. Results In total, MND patients reported significantly higher NMS scores (median: 7 points) in comparison to controls (median: 4 points). Dribbling, impaired taste/smelling, impaired swallowing, weight loss, loss of interest, sad/blues, falling, and insomnia were significantly more prevalent in MND patients compared to controls. Interestingly, excessive sweating was more reported in the MND group. Correlation analysis revealed an increase of total NMS score with disease progression. Conclusion NMS in MND patients seemed to increase with disease progression, which would fit with the recently postulated “disease spreading hypothesis.” The total NMS score in the MND group significantly exceeded the score for the control group, but only 8 of the 30 single complaints of the NMSQuest were significantly more often reported by MND patients. Dribbling, impaired swallowing, weight loss, and falling could primarily be connected to motor neuron degeneration and declared as motor symptoms in MND.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative caractérisée par la mort des neurones moteurs. La perte de ces neurones entraîne une faiblesse musculaire qui évolue progressivement vers la paralysie et mène invariablement au décès des personnes atteintes en quelques années seulement. L’hétérogénéité et la complexité des mécanismes qui sous-tendent les déficits moteurs chez ces patients ralentissent considérablement la découverte de nouveaux médicaments. Toutefois, certains de ces mécanismes semblent jouer un rôle particulièrement important dans le déclenchement et la progression de la maladie, et constituent ainsi des cibles thérapeutiques de choix. C’est le cas notamment de l’agrégation protéique, omniprésente chez les patients, qui trahit un dérèglement global de l’homéostasie des protéines dans la SLA. Nous avons donc émis l’hypothèse qu’un traitement visant à réguler la gestion des protéines permettrait, en réduisant l’agrégation protéique, de diminuer la mort des motoneurones et de prévenir ainsi l’apparition des symptômes moteurs caractéristiques de la maladie chez des souris porteuses de la mutation SOD1G93A. Nous avons analysé l’impact de ce traitement sur la fonction motrice, la contraction musculaire et l’intégrité de la jonction neuromusculaire (JNM), la synapse entre les neurones moteurs et les muscles. Son administration au stade présymptomatique de la maladie s’est avérée moins efficace que prévu : on ne note pas d’améliorations significatives des déficits moteurs ou de l’intégrité de la JNM. Cependant, les résultats obtenus sont encourageants et laissent croire que ce traitement pourrait être encore plus efficace à l’apparition des symptômes, ce qui lui confère un grand potentiel thérapeutique. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease characterized by the death of motor neurons. The loss of these neurons causes muscle weakness, which evolves to paralysis and invariably leads to the death of those affected in just a few years. The heterogeneity and complexity of the mechanisms underlying motor deficits in these patients significantly slow the discovery of new efficient drugs. However, some of these mechanisms seem to play a particularly important role in the onset and progression of the disease, and thus constitute a preferred therapeutic target. This is the case with protein aggregation, which is omnipresent in patients and betrays a global disruption of protein homeostasis in ALS. We therefore hypothesized that a treatment aimed at regulating protein management would, by reducing protein aggregation, prevent the death of motor neurons and the appearance of the motor symptoms characteristic of ALS in mutant SOD1G93A mice. We analyzed the impact of this treatment on motor function, muscle contraction and on the structural integrity of the neuromuscular junction (NMJ), the synapse between motor neurons and muscles. Overall, administration of our treatment at the presymptomatic stage of the disease was less effective than expected: neither motor deficits nor NMJ integrity were significantly improved. However, these results remain very encouraging: the trends seem to indicate a positive effect of the treatment, which even slightly improves the strength generated by muscle contractions. Our data suggests that this treatment could be even more effective at the symptoms onset, which grants it great therapeutic potential.

Analyzing protein tertiary structure is an effective method to understanding protein function. In my thesis study, I aimed to understand how surface features of protein can affect the stability and specificity of enzymes. I focus on 2 proteins that are involved in human disease, Profilin (PFN1) and APOBEC3A (A3A). When these proteins are functioning correctly, PFN1 modulates actin dynamics and A3A inhibits retroviral replication. However, mutations in PFN1 are associated with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) while the over expression of A3A are associated with the development of cancer. Currently, the pathological mechanism of PFN1 in this fatal disease is unknown and although it is known that the sequence context for mutating DNA vary among A3s, the mechanism for substrate sequence specificity is not well understood. To understand how the mutations in Profilin could lead to ALS, I solved the structure of WT and 2 ALS-related mutants of PFN1. Our collaborators demonstrated that ALS-linked mutations severely destabilize the native conformation of PFN1 in vitro and cause accelerated turnover of the PFN1 protein in cells. This mutation-induced destabilization can account for the high propensity of ALS-linked variants to aggregate and also provides rationale for their reported loss-of-function phenotypes in cell-based assays. The source of this destabilization was illuminated by my X-ray crystal structures of several PFN1 proteins. I found an expanded cavity near the protein core of the destabilized M114T variant. In contrast, the E117G mutation only modestly perturbs the structure and stability of PFN1, an observation that reconciles the occurrence of this mutation in the control population. These findings suggest that a destabilized form of PFN1 underlies PFN1-mediated ALS pathogenesis. To characterize A3A’s substrate specificity, we solved the structure of apo and bound A3A. I then used a systematic approach to quantify affinity for substrate as a function of sequence context, pH and substrate secondary structure. I found that A3A preferred ssDNA binding motif is T/CTCA/G, and that A3A can bind RNA in a sequence specific manner. The affinity for substrate increased with a decrease in pH. Furthermore, A3A binds tighter to its substrate binding motif when in the loop region of folded nucleic acid compared to a linear sequence. This result suggests that the structure of DNA, and not just its chemical identity, modulates A3 affinity and specificity for substrate.

Le rôle de l'exposition professionnelle aux pesticides dans la maladie de Parkinson (MP) est documenté, mais aucune étude n’a évalué l’excès de risque de MP parmi la population agricole française. De plus, peu d’études ont porté sur l’exposition non-professionnelle. A partir des bases de données du système national d’information inter-régimes de l’assurance maladie (SNNIRAM), nous avons identifié l’ensemble des cas incidents de MP en France métropolitaine (2010-2012). Nous avons comparé l’incidence et la prévalence de la MP parmi les affiliés à la Mutualité sociale agricole à celles des affiliés des autres régimes de l’assurance maladie et observé une augmentation de fréquence de MP parmi les affiliés à la MSA, notamment les exploitants agricoles. Parmi la population française métropolitaine, l’incidence de la MP augmentait avec la proportion de terres consacrées à l’agriculture dans les cantons. L’association la plus forte a été observée pour les cantons fortement viticoles. Cette association a été confirmée chez les non-agriculteurs affiliés au Régime général de l’assurance maladie. L’association avec la viticulture pourrait s’expliquer par une utilisation importante de pesticides responsable d’une exposition environnementale à proximité des exploitations. Si cette association est confirmée, la fraction de MP attribuable aux pesticides serait plus importante que si seule l’exposition professionnelle était impliquée.La sclérose latérale amyotrophique ou maladie du motoneurone (MMN) est une maladie rare de pronostic sombre et il existe peu de données sur son incidence en France. Nous avons développé un algorithme permettant d’identifier les cas de MMN à partir du SNIIRAM qui a permis d’estimer l’incidence de cette pathologie en France (2012-2014) et d’étudier sa relation avec les caractéristiques agricoles. A l’inverse de la MP, nous n’avons pas observé d’augmentation d’incidence au sein de la MSA et nous n’avons pas retrouvé d’association avec les caractéristiques agricoles. / The role of occupational exposure to pesticides in Parkinson's disease (PD) is recognized, but no studies have evaluated the excess risk of PD among the French agricultural population. In addition, few studies have examined non-occupational exposure. We used databases from the national health insurance information system (SNNIRAM) to identify incident PD cases in metropolitan France (2010-2012). We compared the incidence and prevalence of PD among affiliates of the Mutualité agricole agricole with those among affiliates of the other health insurance schemes and observed an increased frequency of PD among MSA affiliates, farmers in particular. In the French general population, the incidence of PD increased with the proportion of land devoted to agriculture in the cantons. occupational exposure was involved. The strongest association was observed for cantons with a high proportion of land devoted to vineyards. This association was confirmed in non-farmers affiliated to the General health insurance scheme. The association with vineyards may be explained by an important use of pesticides leading to environmental exposure near farms. If this association is confirmed, the fraction of PD attributable to pesticides would be greater than if only occupational exposure was involved.Amyotrophic lateral sclerosis or motor neuron disease (MMD) is a rare disease with a poor prognosis and there are few data on its incidence in France. We have developed an algorithm to identify cases of MMD in the SNIIRAM which allowed us to estimate the incidence of this disease in France (2012-2014) and to study its relationship with the agricultural characteristics. Unlike PD, we did not observe any increase of incidence among MSA members and we did not find any association with agricultural characteristics.

Recent breakthroughs in the RNA quantification of single cells are rapidly transforming the view on biology and medicine. Flexibility and sensitivity of reverse transcription quantitative PCR (RT-qPCR) make it an ideal method for quantification of single-cell material, but its limits had not been yet fully explored. In this thesis, various factors influencing RT-qPCR performance in single-cell application have been assessed, including conditions of sample collection and processing, importance of quality control, performance of reverse transcription, preamplification and role of qPCR assays. We showed that prolonged time for single cell collection as well as repeated freeze-thaw cycles had negligible effect on RT-qPCR data quality. Direct lysis routinely applied for RNA extraction from single cells may be scaled up to 256 cells. The comprehensive comparison of 11 reverse transcriptases in low RNA input conditions identified 2 best-performing enzymes. Decrease in preamplification volume as well as poor primer design resulted in the loss of sensitivity. Finally, the established workflow has been applied to profile gene expression of astrocytes in mouse model of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) identifying important components of ALS-induced changes to astrocyte transcriptome. Altogether, the thesis...

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurological disorder of the central nervous system characterized by loss of motor neurons and voluntary muscle degeneration. Astrocytes play a major role in regulation of the disease onset and progression due to their intimate association with neurons. Regulation of ionic homeostasis is one of their key functions and its failure has been linked to several neurological diseases. The aim of this thesis was to explore differences in membrane properties of astrocytes in ALS. To fulfill this aim, a double transgenic mouse strain with ALS-like phenotype and a specific expression of enhanced green fluorescent protein in astrocytes was generated. To phenotype this strain, two sensorimotor tests, wire grid hang test and rotarod test, were conducted. Immunohistochemistry was used to characterize the strain on a cellular level and to explore changes of specific ion channels. Functional properties of astrocytes were explored using the patch clamp technique. The double transgenic strain has the characteristic ALS-like phenotype and is comparable to the original strain with differences in symptom onset and progression between models and sexes. On the cellular level, there are characteristic ALS features, specifically loss of motor neurons and astrogliosis....

The diploma thesis is focused on the issue of acquired dysarthric and swallowing disorders in amyotrophic lateral sclerosis and on multidisciplinary care provided to patients with this disease. Theoretical part of the thesis is divided into three chapters. The introductory chapter presents a summary of current knowledge about amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The following two chapters are dedicated to dysarthria and dysphagia and their specifics in ALS. The practical part of the diploma thesis is represented by the fourth chapter which incorporates a research survey focused on multidisciplinary care provided to patients with ALS. The primary aim of the research is to evaluate the multidisciplinary care provided to two selected patients with ALS with a focus on speech and swallowing disorders. The secondary objectives of the research relate to the evaluation of the extent of acquired dysarthric and swallowing disorders of these patients, providing a comprehensive overview of the course and content of the provided care and gathering information to create information brochure for patients with ALS and caregivers. The research approach to achieve the determined objectives of the research survey is creation of case studies using qualitative methods of data collection, which is a structured interview...

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie touchant spécifiquement les motoneurones (MN) qui se caractérise par la perte précoce des jonctions neuromusculaires (JNMs) et menant à une paralysie musculaire. La dénervation des JNMs des muscles squelettiques se produit en amont de la mort des MN de la moelle épinière. Des études récentes publiées ont révélé une altération de la transmission synaptique, une instabilité de la morphologie des JNMs ainsi que des mécanismes de réparations de la JNMs inappropriés dans le modèle SOD1, et ce avant l’apparition des symptômes moteurs. De manière intéressante, ces mécanismes sont régulés par les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs), la cellule gliale présente à la JNM suggérant ainsi que l’altération des fonctions des CSPs peut contribuer à la vulnérabilité des JNMs. Tandis que de nombreuses études ont démontré une susceptibilité à la dénervation qui est dépendante du type d’unité motrice (UM), l’innervation des muscles extraoculaires (EOMs) montre une importante résistance à la progression de la maladie. Afin d’investiguer les distinctions dans les JNMs des EOMs menant à cette résistance, nous avons procédé à une analyse de la morphologie des JNMs via microscopie confocale, nous avons étudié les propriétés fonctionnelles des CSPs par imagerie calcique ainsi qu’effectuer une analyse différentielle du protéome entre les JNMs résistantes de l’EOM et les JNMs vulnérables du soleus (SOL) ou de l’extensor digitorum longus (EDL) dans la souris SOD1G37R. Peu de dénervation des JNMs et aucune altération des JNMs sont observées dans l’EOM à un stade tardif de la maladie. Contrairement aux muscles vulnérables, la sensibilité des CSPs suite à l’application locale d’ATP et de muscarine n’est pas altérée dans les EOM. L’analyse du protéome entre l’EDL et l’EOM au stade symptomatique démontre des fonctions cellulaires distinctes. Dans l’EDL, au stade symptomatique, les cascades cellulaires catabolique et reliée au protéosome sont augmentées : reflétant le processus de dénervation en cours dans ce muscle. Dans l’EOM, une diminution de l’expression de SOD1 muté, une augmentation des processus d’oxydoréductions, des protéines importantes pour maintien du repliement des protéines, des neurofilaments ainsi qu’une expression distincte des enzymes régulant les neurotransmetteurs est observée dans les JNMs résistantes. Ainsi, comprendre les fonctions des CSPs ainsi que les profils d’expression protéomique distincte entre les JNMs vulnérables et résistantes durant la progression de la maladie peut nous fournir des informations sur les mécanismes impliqués durant la dénervation et aider à identifier les protéines potentielles qui peut favoriser la réparation et l’intégrité des JNMs. Ainsi, cette étude peut mener à l’identification de biomarqueur musculaire et de cible thérapeutique potentielle pour des perspectives curatives futures. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a motor neuron (MNs) disease characterized by the precocious loss of neuromuscular junctions (NMJs) and muscular paralysis. The denervation of NMJs at striated muscles is an early event that occurs before the loss of spinal cord MNs. Recent data revealed an alteration of synaptic transmission, morphological instability and inappropriate repair in NMJs of SOD1 mice model prior to motor symptoms. Interestingly, these mechanisms are known to be regulated by Perisynaptic Schwann cells (PSCs), glial cells at NMJs, suggesting that the alteration of PSC functions may contribute to NMJ vulnerability. While numerous studies demonstrated a motor unit type-dependent susceptibility to denervation, the extraocular muscles (EOM) innervation shows a prominent resistance to disease progression. We hypothesized that PSCs functions and intrinsic properties at extraocular NMJs contribute to the resistance of the disease progression. NMJ morphological analysis by immunostaining and confocal imaging, functional properties of PSCs by calcium imaging and a differential proteomic analysis using Tandem Mass Tags coupled to quantitative mass spectrometry was performed between the resistant EOM and the vulnerable, soleus (SOL) or Extensor digitorum longus (EDL) muscles in SOD1G37R mice. Fewer denervated NMJs and no alteration of NMJ integrity was observed in the EOM in comparison to the EDL. Sensitivity of EOM PSC to local application of ATP and muscarine are not altered in the EOM SOD1G37R in comparison to WT suggesting an adequate decoding of synaptic activity of PSC. Proteomics analysis between EDL and EOM at symptomatic stage demonstrates distinct cellular pathway. In the EDL, at symptomatic stage, catabolism and proteasome cellular pathways are upregulated reflecting the undergoing denervation processes observed. In the EOM, overall lower expression of SOD1, up-regulation of oxidoreduction process, of mechanism against protein unfolding, of neurofilament and distinct expression of enzymes regulating neurotransmitter homeostasis is observed in the resistant NMJ. Understanding PSC functions and investigating the distinctive protein expression profile between vulnerable and resistant NMJs during disease progression will help provide insights into the denervation mechanisms involved and help identify potential proteins that could favor NMJ repair and integrity. Also, this study may lead to the identification of muscle biomarkers and potential therapeutic targets moving toward curative perspectives.

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine neurodegenerative Erkrankung, bei welcher speziell erste (kortikospinal) und zweite (spinal) Motorneurone (MN) von Neurodegeneration betroffen sind. Gegenwärtig bleibt ALS eine unheilbare Erkrankung. Der Tod tritt durchschnittlich 2 bis 5 Jahre nach Auftreten der Symptome ein. Circa 90% der Fälle treten sporadisch auf (sALS), während 10% familiär sind (fALS). Es ist von großem Interesse monogenetische Formen der fALS zu untersuchen um zugrundeliegende Pathologien und Mechanismen zu verstehen. Bislang wurden über 20 Gene mit ALS in Verbindung gebracht, einschließlich Fused in sarcoma (FUS) und Chromsosome 9 open reading frame (C9ORF72). Circa 4% der fALS Fälle sind durch dominante Mutationen in FUS verursacht und repräsentieren damit die dritthäufigste Form der fALS in Deutschland. Die G4C2 hexanucleotide repeat expansion (HRE) in C9ORF72 ist die häufigste Ursache für ALS und Frontotemporale Demenz (FTD). ALS Patienten unterscheiden sich erheblich in der Präsentation ihrer klinischen Symptome wie Ausbruchsort, Progressionsrate und Auftreten kognitiver Störungen. Diese Faktoren sind auch stark abhängig von der zugrundeliegenden Mutation in fALS. Ziel dieser Doktorarbeit ist die Modellierung von FUS- und C9ORF72-assozierter ALS in einem krankheits-relevanten in vitro Model von speziell kortikaler Neuropathologie mit Hilfe von Patienten-spezifischen iPSZs. Die Hypothese der vorliegenden Arbeit ist das in einer Zelltyp-abhängigen Art und Weise zugrundeliegende Erkrankungsmechanismen in kortikalen vs. spinalen Neuronen unterschiedlich betroffen sind. Humane iPSZ, generiert von gesunden Kontrollen und ALS Patienten mit FUS oder C9ORF72 Mutation, wurden für die gerichtete kortikale und spinale Differenzierung genutzt. Zusätzlich wurden zwei neue FUS-WT- und FUS-P525L-EGFP-markierte isogene Linien mittels CRISPR/Cas9n Technik generiert. Methoden basierend auf Immunfluoreszenz Färbungen und Lebendzell-Mikroskopie wurden angewendet um Krankheits-relevante Proteine, DNA Schäden und axonale Organell-Mobilität zu analysieren. In diesem Projekt konnte ein deutlicher Zelltyp-abhängiger Effekt auf analysierte Phänotypen beobachtet werden, während ALS-assoziierte Mutationen scheinbar nur geringfügige Effekte zeigten. Dementsprechend wurde ein Zelltyp-abhängiger Anstieg des basalen DNA Schadens in kortikalen Astrozyten vs. Neuronen und spinalen vs. kortikalen Neuronen detektiert. Jedoch konnte in FUS oder C9ORF72 mutierten kortikalen Zellen kein erhöhter DNA Schaden nachgewiesen werden, wie es zuvor in spinalen MN beobachtet wurde. Des Weiteren beeinflussen FUS Mutationen die Rekrutierung von FUS zu DNA-geschädigten Stellen, die Organell-Mobilität und die zytoplasmatische Fehllokalisation des Proteins in Abhängigkeit vom Zelltyp. In kortikalen Neuronen wurde in Bezug auf die Rekrutierung von mutiertem FUS und Organell-Mobilität nur leichte Mutations-abhängige und wesentlich schwächer ausgeprägte Effekte beobachtet als in spinalen MN. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Patienten-spezifische Zellmodelle ein wichtiges Instrument in der ALS Forschung sind und das vor allem Unterschiede zwischen kortikalen und spinalen MN weiter untersucht werden müssen, um zugrundeliegende Krankheits-relevante Mechanismen zu entschlüsseln und wie diese zum Fortschreiten der Erkrankung beitragen / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a of neurodegenerative diseases, in which neurodegeneration specifically affects upper (corticospinal) and lower (spinal) motor neurons (MNs). At present, ALS remains an incurable disease. Death occurs on average 2 to 5 years after symptom onset. About 90% are sporadic cases (sALS) and 10% are familial cases (fALS). It is of great interest to investigate monogenetic forms causing fALS to understand its underlying disease pathologies and mechanisms. Over 20 genes have been linked to ALS until now, including Fused in sarcoma (FUS) and Chromosome 9 open reading frame 72 (C9ORF72). About 4% of fALS cases are caused by dominant mutations within FUS, representing the third most common fALS form in Germany. The G4C2 hexanucleotide repeat expansion (HRE) in the C9ORF72 gene is the most common cause for ALS and Frontotemporal dementia (FTD). ALS patients differ significantly in their presentation of clinical symptoms, including site of onset, rate of progression, and presence of cognitive dysfunction. Those factors were also shown to highly depend on the underlying mutation in fALS cases. Aim of this thesis work is the modeling of FUS- and C9ORF72-associated ALS in a disease-related in vitro model of particularly cortical neuropathology using patient-derived iPSCs. The hypothesis of the current work is that underlying disease mechanisms do differentially affect cortical vs. spinal neurons and act in a cell type-dependent manner. Human iPSCs derived from healthy controls and ALS patients carrying mutations within FUS or C9ORF72 were used for directed cortical and spinal differentiation. Additionally, two new FUS-WT- and FUS-P525L-EGFP-tagged isogenic iPSC lines were generated by CRISPR/Cas9n gene editing. Immunofluorescence staining and live cell imaging approaches were implemented to analyze disease-associated proteins, DNA damage, and axonal trafficking. Within this project, a clear cell type-dependent effect on analyzed phenotypes was observed, while ALS-associated mutations seemed to have only minor effects. Accordingly, cell type-dependent increased basal DNA damage levels in cortical astrocytes vs. neurons and spinal vs. cortical neurons were detected. However, FUS or C9ORF72 mutant cortical cells do not recapitulate increased DNA damage levels as they have been observed in spinal MNs. Furthermore, FUS mutation affected recruitment to DNA damage sites, axonal trafficking, and cytoplasmic mislocalization differentially, depending on the analyzed cell type. In cortical neurons, recruitment and trafficking of mutant FUS showed only slight mutation-dependent effects and also less pronounced phenotypes than observed in spinal MNs. In conclusion, patient-specific cellular models are an important tool in ALS research and particularly differences between cortical and spinal MNs need to be further investigated to decipher underlying disease mechanisms, the interplay of cell types affected by the disease, and how they participate in disease progression.

Neurodegenerative diseases have become one of the most common causes of death worldwide over the last couple of decades, with increasing tendency. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most common neurodegenerative disease affecting specifically spinal (lower) and cortical (upper) motor neurons in the spinal cord and brainstem, respectively. It is usually a late onset disorder (average age of onset in Germany is 61 years) and leads to death within 2-5 years after symptoms onset due to respiratory failure. To date, there is no cure for ALS and only two drugs have been approved for its treatment, which prolong the lifespan for up to six months or slow down disease progression in a subpopulation of patients. About 90 % of ALS cases are sporadic, while about 10 % are familial and hence caused by mutations in specific genes, among them fused in sarcoma (FUS), a DNA- and RNA-binding protein. Mutations in FUS account for roughly 5 % of familial cases and occur predominantly in its nuclear localization sequence (NLS), such as the FUS-P525L mutation. Neurons expressing this variant display a strong cytoplasmic mislocalization of FUS and hence a loss of its nuclear function. Among other pathological events, defects in axonal transport along microtubules have been observed early in disease progression in several models of FUS-ALS, indicating its role as a major hallmark of the disease. However, the mechanism of how transport is impaired within these neurons remains unknown to date. This study aimed at investigating two possible mechanisms how the FUS-P525L mutant variant affects microtubule-based axonal transport. First, it was analyzed whether FUS directly interacts with microtubules or motors and if the mislocalized, mutant variant alters this interaction. Secondly, cytoplasmic mislocalized FUS-P525L can no longer fulfil its regular role in the splicing of pre-mRNAs, among them the mRNA coding for the microtubule-associated protein tau. This reportedly leads to an increased ratio of translated tau isoforms containing four microtubule binding repeats (4R) to those containing three repeats (3R). 4R tau isoforms are known to have a stronger binding affinity towards microtubules and may hence impair transport more severely by acting as a roadblock for motor proteins. Towards this end, this study investigated whether an increase in 4R:3R tau isoform ratio is sufficient to impair microtubule based transport. Axonal transport was reconstituted in vitro using a kinesin-1-dependent microtubule gliding assays, in which microtubules are propelled by surface-immobilized kinesin-1 motors. The assay was modified and optimized to operate sensitively and robust in the presence of complex solutions such as whole cell lysates and the microtubule gliding velocity analyzed as a measure for motility of the underlying motors. To determine the direct interaction of FUS variants with kinesin-1 or microtubules, recombinant human wildtype FUS-GFP and FUS-P525L-GFP was added to the assay. In addition, ALS patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) expressing the same FUS variants were differentiated towards spinal motor neurons and their cell lysates applied to this assay in order to determine whether FUS variants need endogenous adaptors or interaction partners to interfere with kinesin-1 motility on microtubules. Further, to investigate the interference of tau isoforms with kinesin-1 motility, recombinant human 2N3R tau-GFP and 2N4R tau-mScarlet was purified from insect cells and added to the modified kinesin-1-dependent microtubule gliding assay, either individually or combined at different ratios. In addition, the binding of these tau variants to microtubules was assessed. The kinesin-1-dependent microtubule gliding assays was modified to operate sensitively and robustly in the presence of β-glycerophosphate (to inhibit endogenous phosphatases in whole cell lysates), and methylcellulose (to prevent microtubule detachment from kinesin-1 motors due to presence of β-glycerophosphate). Under these conditions, neither recombinant human FUS-GFP nor endogenous FUS-GFP variants in lysates of spinal motor neurons bound to microtubules or interfered with kinesin-1 motility. In contrast, both tau isoforms used in the present study bound to microtubules and impaired kinesin-1 motility, while 2N4R tau-mScarlet was a much more potent inhibitor of microtubule gliding and displayed a 20-fold stronger binding affinity to microtubules compared to 2N3R tau-GFP. Interestingly, increasing ratios of 4R:3R tau isoforms impaired kinesin-1-dependent microtubule gliding. In addition, the presence of 2N4R tau-mScarlet strongly prevented 2N3R tau-GFP from binding to microtubules. This study provides evidence that neither wildtype FUS nor the FUS-P525L variant directly interfere with axonal transport by interacting with kinesin-1 motors or microtubules. Further, the present data suggests that neither FUS variant impedes kinesin-1 motility on microtubules by interacting with endogenous adaptor proteins present in cell lysates of iPSC-derived spinal motor neurons. Therefore, it is proposed that axonal transport defects are not directly caused by interaction of cytoplasmic mislocalized FUS with the motors or microtubules, but rather arise as a consequence of other pathological events triggered by mutant FUS variants. In particular, this study demonstrates that an increased ratio of 4R:3R tau isoforms is sufficient to impair kinesin-1 motility on microtubules due to increased decoration of microtubules with 4R tau isoforms, preventing 3R tau isoforms from binding to microtubules. This strongly suggests that an increased ratio of 4R:3R tau isoforms, since FUS no longer regulates splicing of tau pre-mRNA upon its cytoplasmic mislocalization, may be sufficient to cause or contribute to the axonal transport defects observed early in FUS-ALS pathology. / Neurodegenerative Erkrankungen sind in den letzten Jahrzehnten mit zunehmender Tendenz zu einer der häufigsten Todesursachen weltweit geworden. Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung, die spezifisch spinale (untere) und kortikale (obere) Motoneuronen im Rückenmark bzw. im Hirnstamm betrifft. Es handelt sich in der Regel um eine spät einsetzende Krankheit (das mittlere Erkrankungsalter in Deutschland beträgt 61 Jahre) und führt innerhalb von 2-5 Jahren nach Auftreten der Symptome zum Tod aufgrund von Atemversagen. Bisher gibt es keine Heilung für ALS und es wurden nur zwei Medikamente für die Behandlung zugelassen, die die Lebensdauer um bis zu sechs Monate verlängern oder das Fortschreiten der Krankheit bei einer Subpopulation von Patienten verlangsamen. Ungefähr 90% der ALS-Fälle sind sporadisch, während ungefähr 10% familiär sind und daher durch Mutationen in bestimmten Genen verursacht werden, darunter fused in sarcoma (FUS), einem DNA- und RNA-bindenden Protein. Mutationen in FUS machen etwa 5% der familiären Fälle aus und treten überwiegend in der Kernlokalisierungssequenz (NLS) auf, wie beispielsweise die FUS-P525L Mutation. Neuronen, die diese Mutante exprimieren, zeigen eine starke zytoplasmatische Fehllokalisierung von FUS und damit einen Verlust seiner Funktionen im Zellkern. Neben anderen pathologischen Ereignissen wurden in mehreren FUS-ALS Modellsystemen Defekte im Mikrotubuli-basierenden axonalen Transport früh im Krankheitsverlauf beobachtet, was auf seine Rolle als eines der Hauptmerkmale dieser Krankheit hindeutet. Der Mechanismus, wie der Transport innerhalb dieser Neuronen beeinträchtigt wird, ist jedoch bis heute unbekannt. Ziel dieser Studie ist es, zwei mögliche Mechanismen zu untersuchen, wie das mutierte FUS-P525L Protein den axonalen Transport entlang von Mikrotubuli beeinflusst. Zunächst wurde analysiert, ob FUS direkt mit Mikrotubuli oder Motorproteinen interagiert und ob zytoplasmatische fehllokalisierte FUS-P525L Protein diese Interaktion verändert. Ferner kann zytoplasmatische fehllokalisiertes FUS-P525L seine reguläre Rolle beim Spleißen von Prä-mRNAs nicht mehr erfüllen, darunter die mRNA, die für das mit Mikrotubuli-assoziierte Protein Tau kodiert. Dies führt zu einem erhöhten Verhältnis von translatierten Tau-Isoformen, die vier Mikrotubuli-Bindestellen (4R) enthalten, zu solchen mit drei Bindestellen (3R). Es ist bekannt, dass 4R-Tau-Isoformen eine stärkere Bindungsaffinität zu Mikrotubuli im Vergleich zu 3R-Tau-Isoformen aufweisen und daher den Transport stärker beeinträchtigen können, indem sie als Hindernis für Motorproteine agieren. In dieser Studie wurde daher untersucht, ob eine Erhöhung des Verhältnisses von 4R:3R-Tau-Isoform ausreicht, um den Mikrotubuli-basierenden Transport zu beeinträchtigen. Der axonale Transport wurde in vitro unter Verwendung eines Kinesin-1-gestuerten Mikrotubuli Motilitätsassay rekonstruiert, bei welchem Mikrotubuli von darunterliegenden oberflächenimmobilisierte Kinesin-1 Motorproteinen transportiert werden, also über die Oberfläche gleiten. Der Assay wurde modifiziert und optimiert, um in Gegenwart komplexer Lösungen wie Ganzzelllysaten sensitiv und robust zu funktionieren, und die Gleitgeschwindigkeit der Mikrotubuli wurde als Maß für die Motilität der darunterliegenden Motoren analysiert. Um die direkte Wechselwirkung von FUS-Varianten mit Kinesin-1 Motorproteinen oder Mikrotubuli zu bestimmen, wurde dem Assay rekombinantes menschliches Wildtyp-FUS-GFP und FUS-P525L-GFP hinzugegeben. Zusätzlich wurden ALS-patientenspezifische, induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), welche dieselben FUS-Varianten exprimieren, zu spinalen Motoneuronen differenziert und ihre Zelllysate in diesem Assay angewendet, um zu bestimmen, ob FUS-Varianten endogene Adapter oder Interaktionspartner für die Interaction mit Kinesin-1 oder Mikrotubuli benötigen. Um den Einfluss von Tau-Isoformen auf die Kinesin-1 Motilität zu untersuchen, wurde rekombinantes menschliches 2N3R Tau-GFP und 2N4R Tau-mScarlet aus Insektenzellen aufgereinigt und dem modifizierten Kinesin-1-gesteuerten Mikrotubuli Motilitätsassay entweder einzeln oder in unterschiedlichen Verhältnissen kombiniert hinzugegeben. Zusätzlich wurde die Bindung dieser Tau-Varianten an Mikrotubuli analysiert. Der Kinesin-1-gesteuerte Mikrotubuli Motilitätsassay wurden so modifiziert, dass er in Gegenwart von β-Glycerophosphat (zur Hemmung endogener Phosphatasen in Ganzzelllysaten) und Methylcellulose (zur Verhinderung der Ablösung von Mikrotubuli von Kinesin-1 Motoren aufgrund von β-Glycerophosphat) empfindlich und robust funktioniert. Unter diesen Bedingungen zeigten weder rekombinantes menschliches FUS-GFP noch endogene FUS-GFP-Varianten in Lysaten von spinalen Motoneuronen eine Wechselwirkung mit Mikrotubuli und beeinträchtigten auch nicht die Kinesin-1 Motilität. Im Gegensatz dazu banden beide in der vorliegenden Studie verwendeten Tau-Isoformen an Mikrotubuli und beeinträchtigten die Kinesin-1-Motilität, wobei 2N4R Tau-mScarlet das Gleiten von Mikrotubuli viel stärkerer beeinträchtigte und eine 20-fach stärkere Bindungsaffinität zu Mikrotubuli im Vergleich zu 2N3R Tau-GFP zeigte. Ferner beeinträchtigten steigende Verhältnisse von 4R:3R Tau-Isoformen über Kinesin-1 gleitende Mikrotubuli, während die Präsenz von 2N4R Tau-mScarlet die Bindung von 2N3R Tau-GFP an Mikrotubuli stark verminderte. Diese Studie liefert Hinweise darauf, dass weder Wildtyp-FUS noch die FUS P525L-Variante den axonalen Transport direkt beeinflussen, da sie nicht mit Kinesin-1 Motorproteinen oder Mikrotubuli interagieren. Ferner legen die vorliegenden Daten nahe, dass keine der FUS-Varianten die Kinesin-1 Motilität auf Mikrotubuli durch Wechselwirkung mit endogenen Adapterproteinen behindert, die in Zelllysaten von iPSC-differenzierte spinalen Motoneuronen vorhanden sind. Dies legt nahe, dass axonale Transportdefekte nicht durch direkte Wechselwirkung von zytoplasmatisch fehllokalisiertem FUS Protein mit Motorproteinen oder Mikrotubuli verursacht werden, sondern als Folge anderer pathologischer Ereignisse auftreten, die durch mutierte FUS-Varianten entstehen. Insbesondere zeigt diese Studie, dass ein erhöhtes Verhältnis von 4R:3R Tau-Isoformen ausreicht, um die Kinesin-1 Motilität auf Mikrotubuli zu behindern. Dies geschieht vermutlich aufgrund der erhöhten Bindung von 4R Tau-Isoformen an Mikrotubuli, weil dadurch die Bindung von 3R Tau-Isoformen an Mikrotubuli verhindert wird. Dies deutet stark darauf hin, dass ein erhöhtes Verhältnis von 4R:3R Tau-Isoformen, verursacht durch die fehlende regulatorische Beteiligung von FUS am Spleißen von Tau-Prä-mRNA aufgrund der zytoplasmatischen Fehllokalisation von FUS, wahrscheinlich zu den axonalen Transportdefekten beiträgt, die früh in der FUS-ALS-Pathologie beobachtet wurden.