Jamel Chelly, Nicholas Cowan and colleagues report mutations in TUBG1, DYNC1H1, KIF2A and KIF5C in individuals with malformations of cortical development and microcephaly. Their findings emphasize the importance of centrosomal and microtubule-related proteins for normal brain development. The genetic causes of malformations of cortical development (MCD) remain largely unknown. Here we report the discovery of multiple pathogenic missense mutations in TUBG1, DYNC1H1 and KIF2A, as well as a single germline mosaic mutation in KIF5C, in subjects with MCD. We found a frequent recurrence of mutations in DYNC1H1, implying that this gene is a major locus for unexplained MCD. We further show that the mutations in KIF5C, KIF2A and DYNC1H1 affect ATP hydrolysis, productive protein folding and microtubule binding, respectively. In addition, we show that suppression of mouse Tubg1 expression in vivo interferes with proper neuronal migration, whereas expression of altered γ-tubulin proteins in Saccharomyces cerevisiae disrupts normal microtubule behavior. Our data reinforce the importance of centrosomal and microtubule-related proteins in cortical development and strongly suggest that microtubule-dependent mitotic and postmitotic processes are major contributors to the pathogenesis of MCD.

The development of the mammalian brain is dependent on extensive neuronal migration. Mutations in mice and humans that affect neuronal migration result in abnormal lamination of brain structures with associated behavioral deficits. Here, we report the identification of a hyperactive N-ethyl-N-nitrosourea (ENU)-induced mouse mutant with abnormalities in the laminar architecture of the hippocampus and cortex, accompanied by impaired neuronal migration. We show that the causative mutation lies in the guanosine triphosphate (GTP) binding pocket of α-1 tubulin (Tuba1) and affects tubulin heterodimer formation. Phenotypic similarity with existing mouse models of lissencephaly led us to screen a cohort of patients with developmental brain anomalies. We identified two patients with de novo mutations in TUBA3, the human homolog of Tuba1. This study demonstrates the utility of ENU mutagenesis in the mouse as a means to discover the basis of human neurodevelopmental disorders.

Corpus callosum malformations are associated with a broad range of neurodevelopmental diseases. We report that de novo mutations in MAST1 cause mega-corpus-callosum syndrome with cerebellar hypoplasia and cortical malformations (MCC-CH-CM) in the absence of megalencephaly. We show that MAST1 is a microtubule-associated protein that is predominantly expressed in post-mitotic neurons and is present in both dendritic and axonal compartments. We further show that Mast1 null animals are phenotypically normal, whereas the deletion of a single amino acid (L278del) recapitulates the distinct neurological phenotype observed in patients. In animals harboring Mast1 microdeletions, we find that the PI3K/AKT3/mTOR pathway is unperturbed, whereas Mast2 and Mast3 levels are diminished, indicative of a dominant-negative mode of action. Finally, we report that de novo MAST1 substitutions are present in patients with autism and microcephaly, raising the prospect that mutations in this gene give rise to a spectrum of neurodevelopmental diseases.

Summary Neurons use various forms of negative feedback to maintain their synaptic strengths within an operationally useful range. While this homeostatic plasticity is thought to distinctly counteract the destabilizing positive feedback of Hebbian plasticity, there is considerable overlap in the molecular components mediating both forms of plasticity. The varying kinetics of these components spurs additional inquiry into the dynamics of synaptic homeostasis. We discovered that upscaling of synaptic weights in response to prolonged inactivity is nonmonotonic. Surprisingly, this seemingly oscillatory adaptation involved transient appropriation of molecular effectors associated with Hebbian plasticity, namely CaMKII, L-type Ca 2+ channels, and Ca 2+ -permeable AMPARs, and homeostatic elements such as calcineurin. We created a dynamic model that shows how traditionally “Hebbian” and “homeostatic” mechanisms can cooperate to autoregulate postsynaptic Ca 2+ levels. We propose that this combination of mechanisms allows excitatory synapses to adapt to prolonged activity changes and safeguard the capability to undergo future strengthening on demand.

Hippocampal somatostatin-expressing (Sst) GABAergic interneurons (INs) exhibit considerable anatomical and functional heterogeneity. Recent single cell transcriptome analyses have provided a comprehensive Sst-IN subtype census, a plausible molecular ground truth of neuronal identity whose links to specific functionality remain incomplete. Here, we designed an approach to identify and access subpopulations of Sst-INs based on transcriptomic features. Four mouse models based on single or combinatorial Cre- and Flp- expression differentiated functionally distinct subpopulations of CA1 hippocampal Sst-INs that largely tiled the morpho-functional parameter space of the Sst-INs superfamily. Notably, the Sst;;Tac1 intersection revealed a population of bistratified INs that preferentially synapsed onto fast-spiking interneurons (FS-INs) and were both necessary and sufficient to interrupt their firing. In contrast, the Ndnf;;Nkx2-1 intersection identified a population of oriens lacunosum-moleculare (OLM) INs that predominantly targeted CA1 pyramidal neurons, avoiding FS-INs. Overall, our results provide a framework to translate neuronal transcriptomic identity into discrete functional subtypes that capture the diverse specializations of hippocampal Sst-INs.