Modeling of FUS- and C9ORF72-associated cortical neuropathology using patient-specific induced pluripotent stem cells

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 beitragenAmyotrophic 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

Intestinal Acid Sphingomyelinase Protects From Severe Pathogen-Driven Colitis

Inflammatory diseases of the gastrointestinal tract are emerging as a global problem with increased evidence and prevalence in numerous countries. A dysregulated sphingolipid metabolism occurs in patients with ulcerative colitis and is discussed to contribute to its pathogenesis. In the present study, we determined the impact of acid sphingomyelinase (Asm), which catalyzes the hydrolysis of sphingomyelin to ceramide, on the course of Citrobacter (C.) rodentium-driven colitis. C. rodentium is an enteric pathogen and induces colonic inflammation very similar to the pathology in patients with ulcerative colitis. We found that mice with Asm deficiency or Asm inhibition were strongly susceptible to C. rodentium infection. These mice showed increased levels of C. rodentium in the feces and were prone to bacterial spreading to the systemic organs. In addition, mice lacking Asm activity showed an uncontrolled inflammatory Th1 and Th17 response, which was accompanied by a stronger colonic pathology compared to infected wild type mice. These findings identified Asm as an essential regulator of mucosal immunity to the enteric pathogen C. rodentium

Impaired DNA damage response signaling by FUS-NLS mutations leads to neurodegeneration and FUS aggregate formation

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most frequent motor neuron disease. Cytoplasmic fused in sarcoma (FUS) aggregates are pathological hallmarks of FUS-ALS. Proper shuttling between the nucleus and cytoplasm is essential for physiological cell function. However, the initial event in the pathophysiology of FUS-ALS remains enigmatic. Using human induced pluripotent stem cell (hiPSCs)-derived motor neurons (MNs), we show that impairment of poly(ADP-ribose) polymerase (PARP)-dependent DNA damage response (DDR) signaling due to mutations in the FUS nuclear localization sequence (NLS) induces additional cytoplasmic FUS mislocalization which in turn results in neurodegeneration and FUS aggregate formation. Our work suggests that a key pathophysiologic event in ALS is upstream of aggregate formation. Targeting DDR signaling could lead to novel therapeutic routes for ameliorating ALS

Modeling of FUS- and C9ORF72-associated cortical neuropathology using patient-specific induced pluripotent stem cells

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 beitragenAmyotrophic 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

Modeling of FUS- and C9ORF72-associated cortical neuropathology using patient-specific induced pluripotent stem cells

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 beitragenAmyotrophic 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

FUS ALS neurons activate major stress pathways and reduce translation as an early protective mechanism against neurodegeneration

Summary: Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder causing progressive loss of motor neurons. Mutations in Fused in sarcoma (FUS) leading to its cytoplasmic mislocalization cause a subset of ALS. Under stress, mutant FUS localizes to stress granules (SGs)—cytoplasmic condensates composed of RNA and various proteins. Aberrant dynamics of SGs is linked to the pathology of ALS. Here, using motor neurons (MNs) derived from human induced pluripotent stem cells, we show that, in mutant FUS, MN dynamics of SGs is disturbed. Additionally, heat-shock response (HSR) and integrated stress response (ISR) involved in the regulation of SGs are upregulated in mutant MNs. HSR activation correlates with the amount of cytoplasmic FUS mislocalization. While inhibition of SG formation, translation, or ISR does not influence survival of FUS ALS neurons, proteotoxicity that cannot be compensated with the activation of stress pathways is the main driver of neurodegeneration in early FUS ALS

Impaired DNA damage response signaling by FUSNLS mutations leads to neurodegeneration and FUS aggregate formation

Contains fulltext : 198309.pdf (publisher's version ) (Open Access)17 p

Live cell imaging of ATP levels reveals metabolic compartmentalization within motoneurons and early metabolic changes in FUS ALS motoneurons

Motoneurons are one of the most energy-demanding cell types and a primary target in Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a debilitating and lethal neurodegenerative disorder without currently available effective treatments. Disruption of mitochondrial ultrastructure, transport, and metabolism is a commonly reported phenotype in ALS models and can critically affect survival and the proper function of motor neurons. However, how changes in metabolic rates contribute to ALS progression is not fully understood yet. Here, we utilize hiPCS-derived motoneuron cultures and live imaging quantitative techniques to evaluate metabolic rates in fused in sarcoma (FUS)-ALS model cells. We show that differentiation and maturation of motoneurons are accompanied by an overall upregulation of mitochondrial components and a significant increase in metabolic rates that correspond to their high energy-demanding state. Detailed compartment-specific live measurements using a fluorescent ATP sensor and FLIM imaging show significantly lower levels of ATP in the somas of cells carrying FUS-ALS mutations. These changes lead to the increased vulnerability of diseased motoneurons to further metabolic challenges with mitochondrial inhibitors and could be due to the disruption of mitochondrial inner membrane integrity and an increase in its proton leakage. Furthermore, our measurements demonstrate heterogeneity between axonal and somatic compartments, with lower relative levels of ATP in axons. Our observations strongly support the hypothesis that mutated FUS impacts the metabolic states of motoneurons and makes them more susceptible to further neurodegenerative mechanisms

Altered calcium dynamics and glutamate receptor properties in iPSC-derived motor neurons from ALS patients with C9orf72, FUS, SOD1 or TDP43 mutations

The fatal neurodegenerative disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is characterized by a profound loss of motor neurons (MNs). Until now only riluzole minimally extends life expectancy in ALS, presumably by inhibiting glutamatergic neurotransmission and calcium overload of MNs. Therefore, the aim of this study was to investigate the glutamate receptor properties and key aspects of intracellular calcium dynamics in induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived MNs from ALS patients with C9orf72 (n = 4 cell lines), fused in sarcoma (FUS) (n = 9), superoxide dismutase 1 (SOD1) (n = 3) or transactive response DNA-binding protein 43 (TDP43) (n = 3) mutations as well as healthy (n = 7 cell lines) and isogenic controls (n = 3). Using calcium imaging, we most frequently observed spontaneous transients in mutant C9orf72 MNs. Basal intracellular calcium levels and α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionic acid (AMPA)-induced signal amplitudes were elevated in mutant TDP43 MNs. Besides, a majority of mutant TDP43 MNs responded to 3.5-dihydroxyphenylglycine as metabotropic glutamate receptor agonist. Quantitative real-time PCR demonstrated significantly increased expression levels of AMPA and kainate receptors in mutant FUS cells compared to healthy and isogenic controls. Furthermore, the expression of kainate receptors and voltage gated calcium channels in mutant C9orf72 MNs as well as metabotropic glutamate receptors in mutant SOD1 cells was markedly elevated compared to controls. Our data of iPSC-derived MNs from familial ALS patients revealed several mutation-specific alterations in glutamate receptor properties and calcium dynamics that could play a role in ALS pathogenesis and may lead to future translational strategies with individual stratification of neuroprotective ALS treatments.status: publishe