The Shank3 gene encodes a scaffolding protein that anchors multiple elements of the postsynaptic density at the synapse. Previous attempts to delete the Shank3 gene have not resulted in a complete loss of the predominant naturally occurring Shank3 isoforms. We have now characterized a homozygous Shank3 mutation in mice that deletes exon 21, including the Homer binding domain. In the homozygous state, deletion of exon 21 results in loss of the major naturally occurring Shank3 protein bands detected by C-terminal and N-terminal antibodies, allowing us to more definitively examine the role of Shank3 in synaptic function and behavior. This loss of Shank3 leads to an increased localization of mGluR5 to both synaptosome and postsynaptic density-enriched fractions in the hippocampus. These mice exhibit a decrease in NMDA/AMPA excitatory postsynaptic current ratio in area CA1 of the hippocampus, reduced long-term potentiation in area CA1, and deficits in hippocampus-dependent spatial learning and memory. In addition, these mice also exhibit motor-coordination deficits, hypersensitivity to heat, novelty avoidance, altered locomotor response to novelty, and minimal social abnormalities. These data suggest that Shank3 isoforms are required for normal synaptic transmission/plasticity in the hippocampus, as well as hippocampus-dependent spatial learning and memory.

Sensory neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and trigeminal ganglion (TG) are specialized to detect and transduce diverse environmental stimuli to the central nervous system. Single-cell RNA sequencing has provided insights into the diversity of sensory ganglia cell types in rodents, nonhuman primates, and humans, but it remains difficult to compare cell types across studies and species. We thus constructed harmonized atlases of the DRG and TG that describe and facilitate comparison of 18 neuronal and 11 non-neuronal cell types across six species and 31 datasets. We then performed single-cell/nucleus RNA sequencing of DRG from both human and the highly regenerative axolotl and found that the harmonized atlas also improves cell type annotation, particularly of sparse neuronal subtypes. We observed that the transcriptomes of sensory neuron subtypes are broadly similar across vertebrates, but the expression of functionally important neuropeptides and channels can vary notably. The resources presented here can guide future studies in comparative transcriptomics, simplify cell-type nomenclature differences across studies, and help prioritize targets for future analgesic development.

Bradykinin is a peptide implicated in inflammatory pain in both humans and rodents. In rodent sensory neurons, activation of B1 and B2 bradykinin receptors induces neuronal hyperexcitability. Recent evidence suggests that human and rodent dorsal root ganglia (DRG), which contain the cell bodies of sensory neurons, differ in the expression and function of key GPCRs and ion channels; whether BK receptor expression and function are conserved across species has not been studied in depth. In this study, we used human DRG tissue from organ donors to provide a detailed characterization of bradykinin receptor expression and bradykinin-induced changes in the excitability of human sensory neurons. We found that B2 and, to a lesser extent, B1 receptors are expressed by human DRG neurons and satellite glial cells. B2 receptors were enriched in the nociceptor subpopulation. Using patch-clamp electrophysiology, we found that acute bradykinin increases the excitability of human sensory neurons, while prolonged exposure to bradykinin decreases neuronal excitability in a subpopulation of human DRG neurons. Finally, our analyses suggest that donor’s history of chronic pain and age may be predictors of higher B1 receptor expression in human DRG neurons. Together, these results indicate that acute BK-induced hyperexcitability, first identified in rodents, is conserved in humans and provide further evidence supporting BK signaling as a potential therapeutic target for treating pain in humans.

Abstract Alzheimer’s disease typically progresses in stages, which have been defined by the presence of disease-specific biomarkers: amyloid (A), tau (T) and neurodegeneration (N). This progression of biomarkers has been condensed into the ATN framework, in which each of the biomarkers can be either positive (+) or negative (−). Over the past decades, genome-wide association studies have implicated ∼90 different loci involved with the development of late-onset Alzheimer’s disease. Here, we investigate whether genetic risk for Alzheimer’s disease contributes equally to the progression in different disease stages or whether it exhibits a stage-dependent effect. Amyloid (A) and tau (T) status was defined using a combination of available PET and CSF biomarkers in the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative cohort. In 312 participants with biomarker-confirmed A−T− status, we used Cox proportional hazards models to estimate the contribution of APOE and polygenic risk scores (beyond APOE) to convert to A+T− status (65 conversions). Furthermore, we repeated the analysis in 290 participants with A+T− status and investigated the genetic contribution to conversion to A+T+ (45 conversions). Both survival analyses were adjusted for age, sex and years of education. For progression from A−T− to A+T−, APOE-e4 burden showed a significant effect [hazard ratio (HR) = 2.88; 95% confidence interval (CI): 1.70–4.89; P < 0.001], whereas polygenic risk did not (HR = 1.09; 95% CI: 0.84–1.42; P = 0.53). Conversely, for the transition from A+T− to A+T+, the contribution of APOE-e4 burden was reduced (HR = 1.62; 95% CI: 1.05–2.51; P = 0.031), whereas the polygenic risk showed an increased contribution (HR = 1.73; 95% CI: 1.27–2.36; P < 0.001). The marginal APOE effect was driven by e4 homozygotes (HR = 2.58; 95% CI: 1.05–6.35; P = 0.039) as opposed to e4 heterozygotes (HR = 1.74; 95% CI: 0.87–3.49; P = 0.12). The genetic risk for late-onset Alzheimer’s disease unfolds in a disease stage-dependent fashion. A better understanding of the interplay between disease stage and genetic risk can lead to a more mechanistic understanding of the transition between ATN stages and a better understanding of the molecular processes leading to Alzheimer’s disease, in addition to opening therapeutic windows for targeted interventions.

Abstract Peripheral sensory neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and trigeminal ganglion (TG) are specialized to detect and transduce diverse environmental stimuli including touch, temperature, and pain to the central nervous system. Recent advances in single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) have provided new insights into the diversity of sensory ganglia cell types in rodents, non-human primates, and humans, but it remains difficult to compare transcriptomically defined cell types across studies and species. Here, we built cross-species harmonized atlases of DRG and TG cell types that describe 18 neuronal and 11 non-neuronal cell types across 6 species and 19 studies. We then demonstrate the utility of this harmonized reference atlas by using it to annotate newly profiled DRG nuclei/cells from both human and the highly regenerative axolotl. We observe that the transcriptomic profiles of sensory neuron subtypes are broadly similar across vertebrates, but the expression of functionally important neuropeptides and channels can vary notably. The new resources and data presented here can guide future studies in comparative transcriptomics, simplify cell type nomenclature differences across studies, and help prioritize targets for future pain therapy development.