We have characterized Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IV (CaM kinase IV), expressed using the baculovirus/Sf9 cell system, to assess its potential role in Ca2+-dependent transcriptional regulation. CaM kinase IV was strongly inhibited in vitro by KN-62, a specific CaM kinase inhibitor which suppresses Ca2+-dependent transcription of several genes, so we tested whether CaM kinase IV could stimulate transcription. Co-transfection of COS-1 cells by cDNA for CaM kinase IV gave 3-fold stimulation of a reporter gene expression, whereas co-transfection with CaM kinase II gave no transcriptional stimulation. Since this transcriptional response was mediated by phosphorylation of cAMP responsive element-binding protein (CREB), we determined the kinetics and site specificities of CaM kinases IV and II for phosphorylating CREB in vitro. CaM kinases IV and II and cAMP kinase (protein kinase A) all had similar Km values for CREB (1-5 microns), but the Vmax of CaM kinase IV was 40-fold lower than those of CaM kinase II and protein kinase A. Although all three kinases phosphorylated Ser133 in CREB, CaM kinase II also gave equal phosphorylation of a second site which was not Ser98. The two CREB phosphorylation sites were separately 32P-labeled, and the abilities of protein phosphatases 1, 2A, and 2B (calcineurin) to dephosphorylate them were tested. Our results show that all three phosphatases could dephosphorylate both sites, and calcineurin was a stronger catalyst for dephosphorylating site 1 (Ser133) than for site 2. These results indicate that CaM kinase IV may be important in Ca2+-dependent transcriptional regulation through phosphorylation of Ser133 in CREB. The fact that CaM kinase II phosphorylates another site in addition to Ser133 in CREB raises the possibility that this second phosphorylation site may account for the suppressed phosphorylation site may account for the suppressed ability of CaM kinase II to enhance transcription through the CRE/CREB system. In addition multiple protein phosphatases, including calcineurin, may exert a modulatory effect on transcription depending on which site they dephosphorylate.

Inhibitory synapses dampen neuronal activity through postsynaptic hyperpolarization. The composition of the inhibitory postsynapse and the mechanistic basis of its regulation, however, remain poorly understood. We used an in vivo chemico-genetic proximity-labeling approach to discover inhibitory postsynaptic proteins. Quantitative mass spectrometry not only recapitulated known inhibitory postsynaptic proteins but also revealed a large network of new proteins, many of which are either implicated in neurodevelopmental disorders or are of unknown function. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) depletion of one of these previously uncharacterized proteins, InSyn1, led to decreased postsynaptic inhibitory sites, reduced the frequency of miniature inhibitory currents, and increased excitability in the hippocampus. Our findings uncover a rich and functionally diverse assemblage of previously unknown proteins that regulate postsynaptic inhibition and might contribute to developmental brain disorders.

Myelin is essential in vertebrates for the rapid propagation of action potentials, but the molecular mechanisms driving its formation remain largely unknown. Here we show that the initial stage of process extension and axon ensheathment by oligodendrocytes requires dynamic actin filament assembly by the Arp2/3 complex. Unexpectedly, subsequent myelin wrapping coincides with the upregulation of actin disassembly proteins and rapid disassembly of the oligodendrocyte actin cytoskeleton and does not require Arp2/3. Inducing loss of actin filaments drives oligodendrocyte membrane spreading and myelin wrapping in vivo, and the actin disassembly factor gelsolin is required for normal wrapping. We show that myelin basic protein, a protein essential for CNS myelin wrapping whose role has been unclear, is required for actin disassembly, and its loss phenocopies loss of actin disassembly proteins. Together, these findings provide insight into the molecular mechanism of myelin wrapping and identify it as an actin-independent form of mammalian cell motility.

Highlights•Astrocyte-secreted hevin is a pre- and postsynaptic organizer•Hevin induces thalamocortical synapse formation by bridging NRX1α and NL1•Hevin is required for recruitment of NL1 and NMDAR to excitatory synapses in vivo•Astrocyte-secreted hevin is necessary for ocular dominance plasticitySummaryProper establishment of synapses is critical for constructing functional circuits. Interactions between presynaptic neurexins and postsynaptic neuroligins coordinate the formation of synaptic adhesions. An isoform code determines the direct interactions of neurexins and neuroligins across the synapse. However, whether extracellular linker proteins can expand such a code is unknown. Using a combination of in vitro and in vivo approaches, we found that hevin, an astrocyte-secreted synaptogenic protein, assembles glutamatergic synapses by bridging neurexin-1alpha and neuroligin-1B, two isoforms that do not interact with each other. Bridging of neurexin-1alpha and neuroligin-1B via hevin is critical for the formation and plasticity of thalamocortical connections in the developing visual cortex. These results show that astrocytes promote the formation of synapses by modulating neurexin/neuroligin adhesions through hevin secretion. Our findings also provide an important mechanistic insight into how mutations in these genes may lead to circuit dysfunction in diseases such as autism.Graphical abstract

ABSTRACT In contrast to their postsynaptic counterparts, the contributions of activity-dependent cytoskeletal signaling to presynaptic plasticity remain controversial and poorly understood. To identify and evaluate these signaling pathways, we conducted a proteomic analysis of the presynaptic cytomatrix using in vivo biotin identification (iBioID). The resultant proteome was heavily enriched for actin cytoskeleton regulators, including Rac1, a Rho GTPase that activates the Arp2/3 complex to nucleate branched actin filaments. Strikingly, we find Rac1 and Arp2/3 are closely associated with presynaptic vesicle membranes and negatively regulate synaptic vesicle replenishment at both excitatory and inhibitory synapses. Using optogenetics and fluorescence lifetime imaging, we show this pathway bidirectionally sculpts short-term synaptic depression and that its presynaptic activation is coupled to action potentials by voltage-gated calcium influx. Thus, this study provides a new proteomic framework for understanding presynaptic physiology and uncovers a previously unrecognized mechanism of actin-regulated short-term presynaptic plasticity that is conserved across cell types.

Abstract Primary cilia are conserved sensory hubs essential for signaling transduction and embryonic development. Ciliary dysfunction causes a variety of developmental syndromes with neurological features and cognitive impairment, whose basis mostly remains unknown. Despite connections to neural function, the primary cilium remains an overlooked organelle in the brain. Most neurons have a primary cilium; however, it is still unclear how this organelle modulates brain architecture and function, given the lack of any systemic dissection of neuronal ciliary signaling. Here, we present the first in vivo glance at the molecular composition of cilia in the mouse brain. We have adapted in vivo BioID (iBioID), targeting the biotin ligase BioID2 to primary cilia in neurons. We identified tissue-specific signaling networks enriched in neuronal cilia, including Eph/Ephrin and GABA receptor signaling pathways. Our iBioID ciliary network presents a wealth of neural ciliary hits that provides new insights into neurological disorders. Our findings are a promising first step in defining the fundamentals of ciliary signaling and their roles in shaping neural circuits and behavior. This work can be extended to pathological conditions of the brain, aiming to identify the molecular pathways disrupted in the brain cilium. Hence, finding novel therapeutic strategies will help uncover and leverage the therapeutic potential of the neuronal cilium.

Abstract One of the main drivers of autism spectrum disorder is risk alleles within hundreds of genes, which may interact within shared but unknown protein complexes. Here we develop a scalable genome-editing-mediated approach to target 14 high-confidence autism risk genes within the mouse brain for proximity-based endogenous proteomics, achieving high specificity spatial interactomes compared to prior methods. The resulting native proximity interactomes are enriched for human genes dysregulated in the brain of autistic individuals and reveal unexpected and highly significant interactions with other lower-confidence autism risk gene products, positing new avenues to prioritize genetic risk. Importantly, the datasets are enriched for shared cellular functions and genetic interactions that may underlie the condition. We test this notion by spatial proteomics and CRISPR-based regulation of expression in two autism models, demonstrating functional interactions that modulate mechanisms of their dysregulation. Together, these results reveal native proteome networks in vivo relevant to autism, providing new inroads for understanding and manipulating the cellular drivers underpinning its etiology.

Abstract While the neural circuits underlying memory encoding, storage, and retrieval are well characterized, the circuits that act to disrupt memory are enigmatic. Here we find that silencing a projection from the prefrontal cortex to the lateral entorhinal cortex surprisingly improves spatial working memory and contextual memory. We then found that the same cell type shows increased activity during errors in a spatial working memory test. Finally we found that optogenetic activation of the same activity patterns can disrupt working memory performance. By using a combination of intersectional genetic and in vivo imaging techniques we advance evidence that a novel prefrontal-entorhinal pathway critically participates in memory disruption.

ABSTRACT Mutation of the WASH complex subunit, SWIP, is implicated in human intellectual disability, but the cellular etiology of this association is unknown. We identify the neuronal WASH complex proteome, revealing a network of endosomal proteins. To uncover how dysfunction of endosomal SWIP leads to disease, we generate a mouse model of the human WASHC4 c.3056C>G mutation. Quantitative spatial proteomics analysis of SWIP P1019R mouse brain reveals that this mutation destabilizes the WASH complex and uncovers significant perturbations in both endosomal and lysosomal pathways. Cellular and histological analyses confirm that SWIP P1019R results in endo-lysosomal disruption and uncover indicators of neurodegeneration. We find that SWIP P1019R not only impacts cognition, but also causes significant progressive motor deficits in mice. Remarkably, a retrospective analysis of SWIP P1019R patients confirms motor deficits in humans. Combined, these findings support the model that WASH complex destabilization, resulting from SWIP P1019R , drives cognitive and motor impairments via endo-lysosomal dysfunction in the brain.

Abstract Designing binders to target undruggable proteins presents a formidable challenge in drug discovery, requiring innovative approaches to overcome the lack of putative binding sites. Recently, generative models have been trained to design binding proteins from the three-dimensional structure of a target protein alone, but thus exclude design to disordered or conformationally unstable targets. In this work, we provide a generalizable algorithmic framework to design short, target-binding peptide motifs, requiring only the amino acid sequence of the target protein. To do this, we propose a process to generate naturalistic peptide candidates through Gaussian perturbation of the peptidic latent space of the state-of-the-art ESM-2 protein language model, and subsequently screen these de novo linear sequences for target-selective interaction activity via a CLIP-based contrastive learning architecture. By integrating these generative and discriminative steps, we create a Pep tide Pr ioritization via CLIP ( PepPrCLIP ) pipeline and validate highly-ranked, target-specific peptide motifs experimentally via fusion to E3 ubiquitin ligase domains, demonstrating functionally potent degradation of conventionally undruggable targets in vitro . Overall, our design strategy provides a modular toolkit for designing short binding motifs to any target protein without the reliance on stable and ordered tertiary structure, enabling generation of programmable modulators to undruggable and disordered proteins such as transcription factors and fusion oncoproteins.