Abstract The maturation of human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neurons mimics the protracted timing of human brain development, extending over months and years to reach adult-like function. Prolonged in vitro maturation presents a major challenge to stem cell-based applications in modeling and treating neurological disease. We designed a high-content imaging assay based on morphological and functional readouts in hPSC-derived cortical neurons to reveal underlying pathways and to identify chemicals capable of accelerating neuronal maturation. Probing a library of 2688 bioactive drugs, we identified multiple compounds that drive neuronal maturation including inhibitors of LSD1 and DOT1L and activators of calcium-dependent transcription. A cocktail of 4 factors G SK-2879552, E PZ-5676, N MDA and Bay K 8644, which we collectively termed GENtoniK, triggered maturation across all assays tested including measures of synaptic density, electrophysiology and transcriptomics. Remarkably, GENtoniK was similarly effective in enhancing neuronal maturation in 3D cortical organoids and in spinal motoneurons, and improved aspects of cell maturation in non-neural lineages such as melanocytes and pancreatic beta cells. These results demonstrate that the maturation of multiple hPSC-derived cell types can be enhanced by simple pharmacological intervention and suggests that some of the mechanisms controlling the timing of human maturation are shared across lineages.

The pace of human brain development is highly protracted compared with most other species1-7. The maturation of cortical neurons is particularly slow, taking months to years to develop adult functions3-5. Remarkably, such protracted timing is retained in cortical neurons derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) during in vitro differentiation or upon transplantation into the mouse brain4,8,9. Those findings suggest the presence of a cell-intrinsic clock setting the pace of neuronal maturation, although the molecular nature of this clock remains unknown. Here we identify an epigenetic developmental programme that sets the timing of human neuronal maturation. First, we developed a hPSC-based approach to synchronize the birth of cortical neurons in vitro which enabled us to define an atlas of morphological, functional and molecular maturation. We observed a slow unfolding of maturation programmes, limited by the retention of specific epigenetic factors. Loss of function of several of those factors in cortical neurons enables precocious maturation. Transient inhibition of EZH2, EHMT1 and EHMT2 or DOT1L, at progenitor stage primes newly born neurons to rapidly acquire mature properties upon differentiation. Thus our findings reveal that the rate at which human neurons mature is set well before neurogenesis through the establishment of an epigenetic barrier in progenitor cells. Mechanistically, this barrier holds transcriptional maturation programmes in a poised state that is gradually released to ensure the prolonged timeline of human cortical neuron maturation.

Abstract The maturation of human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neurons mimics the protracted timing of human brain development, extending over months to years for reaching adult-like function. Prolonged in vitro maturation presents a major challenge to stem cell-based applications in modeling and treating neurological disease. Therefore, we designed a high-content imaging assay based on morphological and functional readouts in hPSC-derived cortical neurons which identified multiple compounds that drive neuronal maturation including inhibitors of lysine-specific demethylase 1 and disruptor of telomerase-like 1 and activators of calcium-dependent transcription. A cocktail of four factors, GSK2879552, EPZ-5676, N -methyl- d -aspartate and Bay K 8644, collectively termed GENtoniK, triggered maturation across all parameters tested, including synaptic density, electrophysiology and transcriptomics. Maturation effects were further validated in cortical organoids, spinal motoneurons and non-neural lineages including melanocytes and pancreatic β-cells. The effects on maturation observed across a broad range of hPSC-derived cell types indicate that some of the mechanisms controlling the timing of human maturation might be shared across lineages.

Abstract The mu opioid receptor (μOR), a prototypic member of the large G protein-coupled receptor (GPCR) family, represents an important target of therapeutic and abused drugs. To date, most of our understanding of μOR activity has focused on signal transducers and regulatory molecules including G proteins, GPCR kinases, and beta-arrestins. Yet it is clear that signaling through the μOR is coordinated by additional proteins recruited into the proximal interaction network of the activated receptor, which have largely remained invisible given the lack of technologies to interrogate these networks systematically. Here, we implement a quantitative proteomics pipeline leveraging the chemical diversity of μOR agonists and APEX-based proximity labeling to investigate the protein networks that underlie μOR signaling. We leverage a novel computational framework to extract subcellular location, trafficking, and functional partners of GPCR activity from the proximity labeling datasets. Applying this unbiased, systematic approach to the μOR, we demonstrate that opioid agonists exert differences in the μOR proximal proteome mediated by endocytosis and subsequent endosomal sorting, exemplified by VPS35 and COMMD3. Moreover, we identify two novel μOR network components, EYA4 and KCTD12, that are recruited into the receptor proximal network irrespective of the activating ligand and independent of receptor trafficking but based on receptor-triggered G protein activation. We provide functional evidence that these network components form a previously unrecognized buffering system for G protein activity which broadly modulates cellular GPCR signaling.

Dissecting how membrane receptors regulate neural circuit function is critical for deciphering basic principles of neuromodulation and mechanisms of therapeutic drug action. Classical pharmacological and genetic approaches are not well-equipped to untangle the roles of specific receptor populations, especially in long-range projections which coordinate communication between brain regions. Here we use viral tracing, electrophysiological, optogenetic, and photopharmacological approaches to determine how presynaptic metabotropic glutamate receptor 2 (mGluR2) activation in the basolateral amygdala (BLA) alters anxiety-related behavior. We find that mGluR2-expressing neurons from the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) and posterior insular cortex (pIC) preferentially target distinct cell types and subregions of the BLA to regulate different forms of avoidant behavior. Using projection-specific photopharmacological activation, we find that mGluR2-mediated presynaptic inhibition of vmPFC-BLA, but not pIC-BLA, connections can produce long-lasting decreases in spatial avoidance. In contrast, presynaptic inhibition of pIC-BLA connections decreased social avoidance, novelty-induced hypophagia, and increased exploratory behavior without impairing working memory, establishing this projection as a novel target for the treatment of anxiety disorders. Overall, this work reveals new aspects of BLA neuromodulation with therapeutic implications while establishing a powerful approach for optical mapping of drug action via photopharmacology.

Abstract The metabotropic glutamate receptors (mGluRs) are neuromodulatory family C G protein coupled receptors which assemble as dimers and allosterically couple extracellular ligand binding domains (LBDs) to transmembrane domains (TMDs) to drive intracellular signaling. Pharmacologically, mGluRs can be targeted either at the LBDs by glutamate and synthetic orthosteric compounds or at the TMDs by allosteric modulators. Despite the potential of allosteric TMD-targeting compounds as therapeutics, an understanding of the functional and structural basis of their effects on mGluRs is limited. Here we use a battery of approaches to dissect the distinct functional and structural effects of orthosteric versus allosteric ligands. We find using electrophysiological and live cell imaging assays that both agonists and positive allosteric modulators (PAMs) can drive activation and desensitization of mGluRs. The effects of PAMs are pleiotropic, including both the ability to boost the maximal response to orthosteric agonists and to serve independently as desensitization-biased agonists across mGluR subtypes. Conformational sensors reveal PAM-driven inter-subunit re-arrangements at both the LBD and TMD. Motivated by this, we determine cryo-electron microscopy structures of mGluR3 in the presence of either an agonist or antagonist alone or in combination with a PAM. These structures reveal PAM-driven re-shaping of intra- and inter-subunit conformations and provide evidence for a rolling TMD dimer interface activation pathway that controls G protein and beta-arrestin coupling. Highlights -Agonists and PAMs drive mGluR activation, desensitization, and endocytosis -PAMs are desensitization-biased and synergistic with agonists -Four combinatorial ligand conditions reveal an ensemble of full-length mGluR structures with novel interfaces -Activation and desensitization involve rolling TMD interfaces which are re-shaped by PAM

G protein-coupled receptors (GPCRs) control intracellular signaling cascades via agonist-dependent coupling to intracellular transducers including heterotrimeric G proteins, GPCR kinases (GRKs), and arrestins. In addition to their critical interactions with the transmembrane core of active GPCRs, all three classes of transducers have also been reported to interact with receptor C-terminal domains (CTDs). An underexplored aspect of GPCR CTDs is their possible role as lipid sensors given their proximity to the membrane. CTD-membrane interactions have the potential to control the accessibility of key regulatory CTD residues to downstream effectors and transducers. Here we report that the CTDs of two closely related family C GPCRs, metabotropic glutamate receptor 2 (mGluR2) and mGluR3, bind to membranes and that this interaction controls receptor function. We first characterize CTD structure with NMR spectroscopy, revealing lipid composition-dependent modes of membrane binding. Using molecular dynamics simulations and structure-guided mutagenesis, we identify key conserved residues and cancer-associated mutations that control CTD-membrane binding. Finally, we provide evidence that mGluR3 transducer coupling is controlled by CTD-membrane interactions in live cells which can be modulated by disease-associated mutations or CTD phosphorylation. This work reveals a novel mechanism of GPCR modulation, suggesting that CTD-membrane binding may be a general regulatory mode throughout the broad GPCR superfamily.

Class A G protein-coupled receptors (GPCRs), a superfamily of cell membrane signaling receptors, moonlight as constitutively active phospholipid scramblases. The plasma membrane of metazoan cells is replete with GPCRs, yet has a strong resting trans-bilayer phospholipid asymmetry, with the signaling lipid phosphatidylserine confined to the cytoplasmic leaflet. To account for the persistence of this lipid asymmetry in the presence of GPCR scramblases, we hypothesized that GPCR-mediated lipid scrambling is regulated by cholesterol, a major constituent of the plasma membrane. We now present a technique whereby synthetic vesicles reconstituted with GPCRs can be supplemented with cholesterol to a level similar to that of the plasma membrane and show that the scramblase activity of two prototypical GPCRs, opsin and the β1-adrenergic receptor, is impaired upon cholesterol loading. Our data suggest that cholesterol acts as a switch, inhibiting scrambling above a receptor-specific threshold concentration to disable GPCR scramblases at the plasma membrane.

Abstract Converging findings have established that the endocannabinoid (eCB) system serves as a possible target for the development of new treatments for pain as a complement to opioid-based treatments. Here we show in male and female mice that enhancing levels of the eCB, 2-arachidonoylglycerol (2-AG), through pharmacological inhibition of its catabolic enzyme, monoacylglycerol lipase (MAGL), either systemically or in the ventral tegmental area (VTA) with JZL184, leads to a substantial attenuation of the rewarding effects of opioids in male and female mice using conditioned place preference and self-administration paradigms, without altering their analgesic properties. These effects are driven by CB1 receptors (CB1Rs) within the VTA as VTA CB1R conditional knockout, counteracts JZL184’s effects. Conversely, pharmacologically enhancing the levels of the other eCB, anandamide (AEA), by inhibition of fatty acid amide hydrolase (FAAH) has no effect on opioid reward or analgesia. Using fiber photometry with fluorescent sensors for calcium and dopamine (DA), we find that enhancing 2-AG levels diminishes opioid reward-related nucleus accumbens (NAc) activity and DA neurotransmission. Together these findings reveal that 2-AG counteracts the rewarding properties of opioids and provides a potential adjunctive therapeutic strategy for opioid-related analgesic treatments.

Employing self-labelling protein tags for the attachment of fluorescent dyes has become a routine and powerful technique in optical microscopy to visualize and track fused proteins. However, membrane permeability of the dyes and the associated background signals can interfere with the analysis of extracellular labeling sites. Here we describe a novel approach to improve extracellular labeling by functionalizing the SNAP-tag substrate benzyl guanine ("BG") with a charged sulfonate ("SBG"). This chemical manipulation improves solubility, reduces non-specific staining and renders the bioconjugation handle impermeable while leaving its cargo untouched. We report SBG-conjugated fluorophores across the visible spectrum, which cleanly label SNAP-fused proteins in the plasma membrane of living cells. We demonstrate the utility of SBG-conjugated fluorophores to interrogate class A, B and C G protein-coupled receptors (GPCRs) using a range of imaging approaches including nanoscopic super-resolution imaging, analysis of GPCR trafficking from intra- and extracellular pools, in vivo labelling in mouse brain and analysis of receptor stoichiometry using single molecule pull down.