The anatomy of the mammalian visual system, from the retina to the neocortex, is organized hierarchically1. However, direct observation of cellular-level functional interactions across this hierarchy is lacking due to the challenge of simultaneously recording activity across numerous regions. Here we describe a large, open dataset—part of the Allen Brain Observatory2—that surveys spiking from tens of thousands of units in six cortical and two thalamic regions in the brains of mice responding to a battery of visual stimuli. Using cross-correlation analysis, we reveal that the organization of inter-area functional connectivity during visual stimulation mirrors the anatomical hierarchy from the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas3. We find that four classical hierarchical measures—response latency, receptive-field size, phase-locking to drifting gratings and response decay timescale—are all correlated with the hierarchy. Moreover, recordings obtained during a visual task reveal that the correlation between neural activity and behavioural choice also increases along the hierarchy. Our study provides a foundation for understanding coding and signal propagation across hierarchically organized cortical and thalamic visual areas. A large, open dataset containing parallel recordings from six visual cortical and two thalamic areas of the mouse brain is presented, from which the relative timing of activity in response to visual stimuli and behaviour is used to construct a hierarchy scheme that corresponds to anatomical connectivity data.

Research Article1 July 1991free access Human erythroid 5-aminolevulinate synthase: promoter analysis and identification of an iron-responsive element in the mRNA. T.C. Cox T.C. Cox Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author M.J. Bawden M.J. Bawden Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author A. Martin A. Martin Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author B.K. May B.K. May Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author T.C. Cox T.C. Cox Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author M.J. Bawden M.J. Bawden Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author A. Martin A. Martin Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author B.K. May B.K. May Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. Search for more papers by this author Author Information T.C. Cox1, M.J. Bawden1, A. Martin1 and B.K. May1 1Department of Biochemistry, University of Adelaide, Australia. The EMBO Journal (1991)10:1891-1902https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1991.tb07715.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info 5-Aminolevulinate synthase (ALAS) catalyzes the first step of the heme biosynthetic pathway. cDNA clones for the human erythroid ALAS isozyme were isolated from a fetal liver library. It can be deduced that the erythroid ALAS precursor protein has a molecular weight of 64.6 kd, and is similar in size to the previously isolated human housekeeping ALAS precursor of molecular weight 70.6 kd. The mature mitochondrial forms of the erythroid and housekeeping ALAS isozymes are predicted to have molecular weights of 59.5 kd and 64.6 kd, respectively. The two isozymes show little amino acid identity in their N-terminal signal sequences but have considerable sequence identity in the C-terminal two-thirds of their proteins. An analysis of the immediate promoter of the human erythroid ALAS gene revealed several putative erythroid-specific cis-acting elements including both a GATA-1 and an NF-E2 binding site. An iron-responsive element (IRE) motif has been identified in the 5′-untranslated region of the human erythroid ALAS mRNA, but is not present in the housekeeping ALAS mRNA. Gel retardation experiments established that this IRE motif formed a protein - RNA complex with cytosolic extracts from human K562 cells and this binding was strongly competed with IRE transcripts from ferritin or transferrin receptor mRNAs. A transcript of the ALAS IRE, mutated in the conserved loop of the IRE, did not readily form this protein - RNA complex. These results suggest that the IRE motif in the ALAS mRNA is functional and imply that translation of the mRNA is controlled by cellular iron availability during erythropoiesis. Previous ArticleNext Article Volume 10Issue 71 July 1991In this issue RelatedDetailsLoading ...

Recent studies have shown that exposure to some nutritional supplements and chemicals in utero can affect the epigenome of the developing mouse embryo, resulting in adult disease. Our hypothesis is that epigenetics is also involved in the gestational programming of adult phenotype by alcohol. We have developed a model of gestational ethanol exposure in the mouse based on maternal ad libitum ingestion of 10% (v/v) ethanol between gestational days 0.5–8.5 and observed changes in the expression of an epigenetically-sensitive allele, Agouti viable yellow (Avy), in the offspring. We found that exposure to ethanol increases the probability of transcriptional silencing at this locus, resulting in more mice with an agouti-colored coat. As expected, transcriptional silencing correlated with hypermethylation at Avy. This demonstrates, for the first time, that ethanol can affect adult phenotype by altering the epigenotype of the early embryo. Interestingly, we also detected postnatal growth restriction and craniofacial dysmorphology reminiscent of fetal alcohol syndrome, in congenic a/a siblings of the Avy mice. These findings suggest that moderate ethanol exposure in utero is capable of inducing changes in the expression of genes other than Avy, a conclusion supported by our genome-wide analysis of gene expression in these mice. In addition, offspring of female mice given free access to 10% (v/v) ethanol for four days per week for ten weeks prior to conception also showed increased transcriptional silencing of the Avy allele. Our work raises the possibility of a role for epigenetics in the etiology of fetal alcohol spectrum disorders, and it provides a mouse model that will be a useful resource in the continued efforts to understand the consequences of gestational alcohol exposure at the molecular level.

Abstract Trisomy 21 causes Down syndrome, a condition characterized by cognitive impairments, immune dysregulation, and atypical morphogenesis. Using whole blood transcriptome analysis, we demonstrate that specific overexpression of four interferon receptors encoded on chromosome 21 associates with chronic interferon hyperactivity and systemic inflammation in Down syndrome. To define the contribution of interferon receptor overexpression to Down syndrome phenotypes, we used genome editing to correct interferon receptor gene dosage in mice carrying triplication of a large genomic region orthologous to human chromosome 21. Normalization of interferon receptor copy number attenuated lethal antiviral responses, prevented heart malformations, decreased developmental delays, improved cognition and normalized craniofacial anomalies. Therefore, interferon receptor gene dosage determines major hallmarks of Down syndrome, indicating that trisomy 21 elicits an interferonopathy amenable to therapeutic intervention. One-Sentence Summary Correction of interferon receptor gene dosage rescues multiple key phenotypes in a mouse model of trisomy 21.

Abstract Defects in embryonic patterning resulting in craniofacial abnormalities account for approximately 1/3 of birth defects. The regulatory programs that build and shape the face require precisely controlled spatiotemporal gene expression, achieved through tissue-specific enhancers. Large regions with coactivation of enhancer elements and co-regulation of multiple genes, referred to as superenhancers, are important in determining cell identity and perturbation could result in developmental defects. Building upon a previously published epigenomic atlas of human embryonic craniofacial tissue in which we identified over 75,000 putative embryonic craniofacial enhancer regions, we have identified 531 superenhancer regions unique to embryonic craniofacial tissue, including 37 which fall in completely noncoding regions. To demonstrate the utility of this data for the understanding of craniofacial development and the etiology of craniofacial abnormalities, we focused on a craniofacial-specific superenhancer in a ∼600kb noncoding region located between NPVF and NFE2L3 . This region harbors over 100 individual putative craniofacial enhancer segments and 7 in vivo validated craniofacial enhancers from primary craniofacial tissue as well as strong enhancer activation signatures in a culture model of cranial neural crest cell (CNCC) development. However, none of the directly adjacent genes have been implicated in neural crest specification, craniofacial development, or abnormalities. To identify potential regulatory targets of this superenhancer region, we characterized three-dimensional chromatin structure of this region in CNCCs and mouse embryonic craniofacial tissues using multiple techniques (4C-Seq, HiC). We identified long range interactions that exclude most intervening genes and specifically target the anterior portion of the HOXA gene cluster located 1.2 to 1.8 Mb away. We demonstrate the specificity of the enhancer region for regulation of anterior HOXA genes through CRISPR/Cas9 editing of human embryonic stem cells. Mice homozygous for deletion of the superenhancer confirm the specificity of the enhancer region and demonstrate that the region is essential for viability. At fetal stages homozygotes develop at the same rate as heterozygous and wild type littermates but die at P0-P1 and have high penetrance of orofacial clefts that phenocopy previously described Hoxa2-/- mice. Moreover, we identified a de novo deletion partially overlapping the superenhancer in a human fetus with severe craniofacial abnormalities. This evidence suggests we have identified a critical noncoding locus control region that specifically regulates anterior HOXA genes and whose deletion is likely pathogenic in human patients.

Abstract Missense mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most common cause of familial Parkinson’s Disease (PD); however, pathways regulating LRRK2 subcellular localization, function, and turnover are not fully defined. We performed quantitative mass spectrometry-based interactome studies to identify 48 novel LRRK2 interactors, including the microtubule-associated E3 ubiquitin ligase TRIM1 ( Tri partite M otif Family 1). TRIM1 recruits LRRK2 to the microtubule cytoskeleton for ubiquitination and proteasomal degradation by binding LRRK2 911-920 , a nine amino acid segment within a flexible interdomain region (LRRK2 853-981 ), which we designate the “Regulatory Loop” (RL). Phosphorylation of LRRK2 Ser910/Ser935 within LRRK2 RL serves as a molecular switch controlling LRRK2’s association with cytoplasmic 14-3-3 versus microtubule-bound TRIM1. Association with TRIM1 modulates LRRK2’s interaction with Rab29 and prevents upregulation of LRRK2 kinase activity by Rab29 in an E3-ligase-dependent manner. Finally, TRIM1 rescues neurite outgrowth deficits caused by PD-driving mutant LRRK2 G2019S. Our data suggest that TRIM1 is a critical regulator of LRRK2, controlling its degradation, localization, binding partners, kinase activity, and cytotoxicity.

Enhancers, through the combinatorial action of transcription factors (TFs), dictate both the spatial specificity and the levels of gene expression, and their aberrations can result in diseases. The association between HMX1 and its downstream enhancer with ear deformities has been previously documented. However, the pathogenic variations and molecular mechanisms underlying the bilateral constricted ear (BCE) malformations remain unclear. This study identifies a copy number variation (CNV) encompassing three enhancers that induces BCE. These enhancers, collectively termed the positional identity hierarchical enhancer cluster (PI-HEC), co-regulate spatiotemporal expression of the HMX1 gene in a coordinated and synergistic mode, each displaying unique activity-location-structure characteristics. A thorough exploration of this regulatory locus reveals that specific motif clusters within the PI-HEC variably modulate its activity and specificity, with the high mobility group (HMG) box combined with Coordinator and homeodomain (HD)-TFs notably influencing them respectively. Our findings based on various types of mouse models, reveal that both aberrant Hmx1 expression in the fibroblasts of the basal pinna, originating from neural crest cells, and ectopic expression in the distal pinna structures contribute to the abnormal development of the outer ear, including the cartilage, muscle, and epidermis tissues. This study deepens our understanding of mammalian ear morphogenesis and sheds light on the complexity of gene expression regulation by enhancers and specific sequence motifs.

The mammalian visual system, from retina to neocortex, has been extensively studied at both anatomical and functional levels. Anatomy indicates the corticothalamic system is hierarchical, but characterization of cellular-level functional interactions across multiple levels of this hierarchy is lacking, partially due to the challenge of simultaneously recording activity across numerous regions. Here, we describe a large, open dataset (part of the Allen Brain Observatory ) that surveys spiking from units in six cortical and two thalamic regions responding to a battery of visual stimuli. Using spike cross-correlation analysis, we find that inter-area functional connectivity mirrors the anatomical hierarchy from the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas . Classical functional measures of hierarchy, including visual response latency, receptive field size, phase-locking to a drifting grating stimulus, and autocorrelation timescale are all correlated with the anatomical hierarchy. Moreover, recordings during a visual task support the behavioral relevance of hierarchical processing. Overall, this dataset and the hierarchy we describe provide a foundation for understanding coding and dynamics in the mouse corticothalamic visual system.

Periodontal disease is an age-associated disorder clinically defined by periodontal bone loss, inflammation of the specialized tissues that surround and support the tooth, and microbiome dysbiosis. Currently, there is no therapy for reversing periodontal disease, and treatment is generally restricted to preventive measures or tooth extraction. The FDA-approved drug rapamycin slows aging and extends lifespan in multiple organisms, including mice. Here we demonstrate that short-term treatment with rapamycin rejuvenates the aged oral cavity of elderly mice, including regeneration of periodontal bone, attenuation of gingival and periodontal bone inflammation, and revertive shift of the oral microbiome toward a more youthful composition. This provides a geroscience strategy to potentially rejuvenate oral health and reverse periodontal disease in the elderly.