Inappropriate activation of the Wnt signalling pathway in intestinal stem cells causes them to become cancerous. Two papers in this issue help identify the cell type at the root of this cancer, which should in turn aid therapeutic design. Zhu et al. report that prominin 1, a surface protein found on both normal stem cells and cancer stem cells, is a marker for stem cells that are prone to neoplastic transformation. Barker et al. show that in cells expressing Lgr5, previously identified as a marker for intestinal stem cells, activation of Wnt signalling is sufficient to initiate tumour formation. It is shown that the cell surface protein prominin 1 (also known as CD133) marks stem cells in the mouse intestine. Using lineage-tracing experiments, it is shown that intestinal tumours can originate in these cells when the Wnt signalling pathway is aberrantly activated. Cancer stem cells are remarkably similar to normal stem cells: both self-renew, are multipotent and express common surface markers, for example, prominin 1 (PROM1, also called CD133)1. What remains unclear is whether cancer stem cells are the direct progeny of mutated stem cells or more mature cells that reacquire stem cell properties during tumour formation. Answering this question will require knowledge of whether normal stem cells are susceptible to cancer-causing mutations; however, this has proved difficult to test because the identity of most adult tissue stem cells is not known. Here, using an inducible Cre, nuclear LacZ reporter allele knocked into the Prom1 locus (Prom1C-L ), we show that Prom1 is expressed in a variety of developing and adult tissues. Lineage-tracing studies of adult Prom1+/C-L mice containing the Rosa26-YFP reporter allele showed that Prom1+ cells are located at the base of crypts in the small intestine, co-express Lgr5 (ref. 2), generate the entire intestinal epithelium, and are therefore the small intestinal stem cell. Prom1 was reported recently to mark cancer stem cells of human intestinal tumours that arise frequently as a consequence of aberrant wingless (Wnt) signalling3,4,5. Activation of endogenous Wnt signalling in Prom1+/C-L mice containing a Cre-dependent mutant allele of β-catenin (Ctnnb1lox(ex3) ) resulted in a gross disruption of crypt architecture and a disproportionate expansion of Prom1+ cells at the crypt base. Lineage tracing demonstrated that the progeny of these cells replaced the mucosa of the entire small intestine with neoplastic tissue that was characterized by focal high-grade intraepithelial neoplasia and crypt adenoma formation. Although all neoplastic cells arose from Prom1+ cells in these mice, only 7% of tumour cells retained Prom1 expression. Our data indicate that Prom1 marks stem cells in the adult small intestine that are susceptible to transformation into tumours retaining a fraction of mutant Prom1+ tumour cells.

Highlights•LC3-associated endocytosis (LANDO) requires Rubicon and ATG5, but not FIP200•LANDO is required for recycling of Aβ receptors including TREM2 in microglia.•LANDO confers protection against Aβ deposition and murine Alzheimer's disease (AD)•Microglial LANDO protects against neuronal loss and memory impairment in murine ADSummaryThe expression of some proteins in the autophagy pathway declines with age, which may impact neurodegeneration in diseases, including Alzheimer's Disease. We have identified a novel non-canonical function of several autophagy proteins in the conjugation of LC3 to Rab5+, clathrin+ endosomes containing β-amyloid in a process of LC3-associated endocytosis (LANDO). We found that LANDO in microglia is a critical regulator of immune-mediated aggregate removal and microglial activation in a murine model of AD. Mice lacking LANDO but not canonical autophagy in the myeloid compartment or specifically in microglia have a robust increase in pro-inflammatory cytokine production in the hippocampus and increased levels of neurotoxic β-amyloid. This inflammation and β-amyloid deposition were associated with reactive microgliosis and tau hyperphosphorylation. LANDO-deficient AD mice displayed accelerated neurodegeneration, impaired neuronal signaling, and memory deficits. Our data support a protective role for LANDO in microglia in neurodegenerative pathologies resulting from β-amyloid deposition.Graphical abstract

Dopamine input to the striatum is required for voluntary motor movement, behavioral reinforcement, and responses to drugs of abuse. It is speculated that these functions are dependent on either excitatory or inhibitory modulation of corticostriatal synapses onto medium spiny neurons (MSNs). While dopamine modulates MSN excitability, a direct presynaptic effect on the corticostriatal input has not been clearly demonstrated. We combined optical monitoring of synaptic vesicle exocytosis from motor area corticostriatal afferents and electrochemical recordings of striatal dopamine release to directly measure effects of dopamine at the level of individual presynaptic terminals. Dopamine released by either electrical stimulation or amphetamine acted via D2 receptors to inhibit the activity of subsets of corticostriatal terminals. Optical and electrophysiological data suggest that heterosynaptic inhibition was enhanced by higher frequency stimulation and was selective for the least active terminals. Thus, dopamine, by filtering less active inputs, appears to reinforce specific sets of corticostriatal synaptic connections.

Summary

 Loss of FMRP causes fragile X syndrome (FXS), but the physiological functions of FMRP remain highly debatable. Here we show that FMRP regulates neurotransmitter release in CA3 pyramidal neurons by modulating action potential (AP) duration. Loss of FMRP leads to excessive AP broadening during repetitive activity, enhanced presynaptic calcium influx, and elevated neurotransmitter release. The AP broadening defects caused by FMRP loss have a cell-autonomous presynaptic origin and can be acutely rescued in postnatal neurons. These presynaptic actions of FMRP are translation independent and are mediated selectively by BK channels via interaction of FMRP with BK channel's regulatory β4 subunits. Information-theoretical analysis demonstrates that loss of these FMRP functions causes marked dysregulation of synaptic information transmission. FMRP-dependent AP broadening is not limited to the hippocampus, but also occurs in cortical pyramidal neurons. Our results thus suggest major translation-independent presynaptic functions of FMRP that may have important implications for understanding FXS neuropathology.

Williams-Beuren syndrome (WBS) is a rare disorder caused by hemizygous microdeletion of ∼27 contiguous genes. Despite neurodevelopmental and cognitive deficits, individuals with WBS have spared or enhanced musical and auditory abilities, potentially offering an insight into the genetic basis of auditory perception. Here, we report that the mouse models of WBS have innately enhanced frequency-discrimination acuity and improved frequency coding in the auditory cortex (ACx). Chemogenetic rescue showed frequency-discrimination hyperacuity is caused by hyperexcitable interneurons in the ACx. Haploinsufficiency of one WBS gene, Gtf2ird1, replicated WBS phenotypes by downregulating the neuropeptide receptor VIPR1. VIPR1 is reduced in the ACx of individuals with WBS and in the cerebral organoids derived from human induced pluripotent stem cells with the WBS microdeletion. Vipr1 deletion or overexpression in ACx interneurons mimicked or reversed, respectively, the cellular and behavioral phenotypes of WBS mice. Thus, the Gtf2ird1-Vipr1 mechanism in ACx interneurons may underlie the superior auditory acuity in WBS.

Abstract Mutations in HNRNPH2 cause an X-linked neurodevelopmental disorder with a phenotypic spectrum that includes developmental delay, intellectual disability, language impairment, motor function deficits, and seizures. More than 90% of patients with this disorder have a missense mutation within or adjacent to the nuclear localization signal (NLS) of hnRNPH2, although the specific pathogenic consequences of these mutations have not been examined. Here we found that hnRNPH2 NLS mutations result in reduced interaction with the nuclear transport receptor Kapβ2 in vitro and in cultured human cells. These mutations also cause modest accumulation of hnRNPH2 in the cytoplasm, suggesting that mislocalization of the protein might contribute to pathogenesis. We generated two knock-in mouse models with human-equivalent mutations in the endogenous mouse gene Hnrnph2 , as well as Hnrnph2 knockout (KO) mice, and subjected them to extensive phenotyping. Mutant knock-in mice displayed a spectrum of phenotypes that recapitulated aspects of the human disorder, including reduced survival in males, craniofacial abnormalities, impaired motor and cognitive functions, and increased susceptibility to audiogenic seizures. Mutant knock-in male mice developed more severe phenotypes than female mice, likely due to differences in X-chromosome gene dosage. In contrast, two independent lines of Hnrnph2 KO mice showed no detectable phenotypes. Notably, KO mice had upregulated expression of Hnrnph1 , a close paralog of Hnrnph2 , whereas mutant Hnrnph2 knock-in mice failed to upregulate Hnrnph1. Thus, genetic compensation by Hnrnph1 might be sufficient to counteract the loss of hnRNPH2. These findings suggest that the pathogenesis of HNRNPH2 -related disorder in humans may be driven by a toxic gain of function or a complex loss of HNRNPH2 function with impaired compensation by HNRNPH1. The mutant knock-in mice described here are an important resource for preclinical studies to assess the potential benefit of either gene replacement or therapeutic knockdown of mutant hnRNPH2.

SUMMARY Synaptic plasticities, such as long-term potentiation (LTP) and depression (LTD), tune synaptic efficacy and are essential for learning and memory. Current studies of synaptic plasticity in humans are limited by a lack of adequate human models. Here, we modeled the thalamocortical system by fusing human induced pluripotent stem cell–derived thalamic and cortical organoids. Single-nucleus RNA-sequencing revealed that most cells in mature thalamic organoids were glutamatergic neurons. When fused to form thalamocortical assembloids, thalamic and cortical organoids formed reciprocal long-range axonal projections and reciprocal synapses detectable by light and electron microscopy, respectively. Using whole-cell patch-clamp electrophysiology and two-photon imaging, we characterized glutamatergic synaptic transmission. Thalamocortical and corticothalamic synapses displayed short-term plasticity analogous to that in animal models. LTP and LTD were reliably induced at both synapses; however, their mechanisms differed from those previously described in rodents. Thus, thalamocortical assembloids provide a model system for exploring synaptic plasticity in human circuits. Highlights Human thalamic organoids consist of mostly glutamatergic projection neurons. Thalamocortical assembloids form reciprocal glutamatergic synapses. Synapses are functional and undergo short-term plasticity resembling animal models. Long-term potentiation and depression reveal mechanisms distinct from rodents. eTOC Human organoids are often used to model diseases with synaptic pathology; however, few studies have examined synaptic function via single-cell or single-synapse recordings. Patton et al. fused human thalamic and cortical organoids into assembloids to examine synaptic transmission and short- and long-term synaptic plasticity in human thalamocortical and corticothalamic circuits. GRAPHICAL ABSTRACT

Synaptic plasticities, such as long-term potentiation (LTP) and depression (LTD), tune synaptic efficacy and are essential for learning and memory. Current studies of synaptic plasticity in humans are limited by a lack of adequate human models. Here, we modeled the thalamocortical system by fusing human induced pluripotent stem cell-derived thalamic and cortical organoids. Single-nucleus RNA sequencing revealed that >80% of cells in thalamic organoids were glutamatergic neurons. When fused to form thalamocortical assembloids, thalamic and cortical organoids formed reciprocal long-range axonal projections and reciprocal synapses detectable by light and electron microscopy, respectively. Using whole-cell patch-clamp electrophysiology and two-photon imaging, we characterized glutamatergic synaptic transmission. Thalamocortical and corticothalamic synapses displayed short-term plasticity analogous to that in animal models. LTP and LTD were reliably induced at both synapses; however, their mechanisms differed from those previously described in rodents. Thus, thalamocortical assembloids provide a model system for exploring synaptic plasticity in human circuits.

Abstract Neurodevelopmental disorders are thought to arise from intrinsic brain abnormalities. Alternatively, they may arise from disrupted crosstalk among tissues. Here we show the local reduction of two vestibulo-cerebellar lobules, the paraflocculus and flocculus, in mouse models and humans with 22q11.2 deletion syndrome (22q11DS). In mice, this paraflocculus/flocculus dysplasia is associated with haploinsufficiency of the Tbx1 gene. Tbx1 haploinsufficiency also leads to impaired cerebellar synaptic plasticity and motor learning. However, neural cell compositions and neurogenesis are not altered in the dysplastic paraflocculus/flocculus. Interestingly, 22q11DS and Tbx1 +/– mice have malformations of the subarcuate fossa, a part of the petrous temporal bone, which encapsulates the paraflocculus/flocculus. Single-nuclei RNA sequencing reveals that Tbx1 haploinsufficiency leads to precocious differentiation of chondrocytes to osteoblasts in the petrous temporal bone autonomous to paraflocculus/flocculus cell populations. These findings suggest a previously unrecognized pathogenic structure/function relation in 22q11DS in which local skeletal deformity and cerebellar dysplasia result in behavioral deficiencies.