Abstract Hydrogen Peroxide (H 2 O 2 ) is a central oxidant in redox biology due to its pleiotropic role in physiology and pathology. However, real-time monitoring of H 2 O 2 in living cells and tissues remains a challenge. We address this gap with the development of an optogenetic hydRogen perOxide Sensor (oROS), leveraging the bacterial peroxide binding domain OxyR. Previously engineered OxyR-based fluorescent peroxide sensors lack the necessary sensitivity or response speed for effective real-time monitoring. By structurally redesigning the fusion of Escherichia coli (E. coli) ecOxyR with a circularly permutated green fluorescent protein (cpGFP), we created a novel, green-fluorescent peroxide sensor oROS-G. oROS-G exhibits high sensitivity and fast on-and-off kinetics, ideal for monitoring intracellular H 2 O 2 dynamics. We successfully tracked real-time transient and steady-state H 2 O 2 levels in diverse biological systems, including human stem cell-derived neurons and cardiomyocytes, primary neurons and astrocytes, and mouse neurons and astrocytes in ex vivo brain slices. These applications demonstrate oROS’s capabilities to monitor H 2 O 2 as a secondary response to pharmacologically induced oxidative stress, G-protein coupled receptor (GPCR)-induced cell signaling, and when adapting to varying metabolic stress. We showcased the increased oxidative stress in astrocytes via Aβ-putriscine-MAOB axis, highlighting the sensor’s relevance in validating neurodegenerative disease models. oROS is a versatile tool, offering a window into the dynamic landscape of H 2 O 2 signaling. This advancement paves the way for a deeper understanding of redox physiology, with significant implications for diseases associated with oxidative stress, such as cancer, neurodegenerative disorders, and cardiovascular diseases.

Abstract Histone deacetylase 2 (HDAC2) is a major HDAC protein in the adult brain and has been shown to regulate many neuronal genes. Aberrant expression of HDAC2 and subsequent dysregulation of neuronal gene expression is implicated in neurodegeneration and brain aging. Human induced pluripotent stem cell-derived neurons (hiPSC-Ns) are widely used models for studying neurodegenerative disease mechanisms, but the role of HDAC2 in hiPSC-N differentiation and maturation has not been explored. In this study, we show that levels of HDAC2 progressively decrease as hiPSCs are differentiated towards neurons. This suppression of HDAC2 inversely corresponds to an increase in neuron-specific isoforms of Endophilin-B1, a multifunctional protein involved in mitochondrial dynamics. Expression of neuron-specific isoforms of Endophilin-B1 is accompanied by concomitant expression of a neuron-specific alternative splicing factor, SRRM4. Manipulation of HDAC2 and Endophilin-B1 using lentiviral approaches shows that knock-down of HDAC2 or overexpression of a neuron-specific Endophilin-B1 isoform promotes mitochondrial elongation and protects against cytotoxic stress in hiPSC-Ns, while HDAC2 knock-down specifically influences genes regulating mitochondrial dynamics and synaptogenesis. Furthermore, HDAC2 knock-down promotes enhanced mitochondrial respiration and reduces levels of neurotoxic amyloid beta peptides. Collectively, our study demonstrates a role for HDAC2 in hiPSC-neuronal differentiation, highlights neuron-specific isoforms of Endophilin-B1 as a marker of differentiating hiPSC-Ns, and demonstrates that HDAC2 regulates key neuronal and mitochondrial pathways in hiPSC-Ns.