Stem cells persist throughout life by self-renewing in numerous tissues including the central1 and peripheral2 nervous systems. This raises the issue of whether there is a conserved mechanism to effect self-renewing divisions. Deficiency in the polycomb family transcriptional repressor Bmi-1 leads to progressive postnatal growth retardation and neurological defects3. Here we show that Bmi-1 is required for the self-renewal of stem cells in the peripheral and central nervous systems but not for their survival or differentiation. The reduced self-renewal of Bmi-1-deficient neural stem cells leads to their postnatal depletion. In the absence of Bmi-1, the cyclin-dependent kinase inhibitor gene p16Ink4a is upregulated in neural stem cells, reducing the rate of proliferation. p16Ink4a deficiency partially reverses the self-renewal defect in Bmi-1-/- neural stem cells. This conserved requirement for Bmi-1 to promote self-renewal and to repress p16Ink4a expression suggests that a common mechanism regulates the self-renewal and postnatal persistence of diverse types of stem cell. Restricted neural progenitors from the gut and forebrain proliferate normally in the absence of Bmi-1. Thus, Bmi-1 dependence distinguishes stem cell self-renewal from restricted progenitor proliferation in these tissues.

In this issue, three separate labs report the discovery of a protein that regulates ageing specifically in stem cells. This helps answer a fundamental question: why do mammalian progenitor cells gradually lose their ability to divide and generate new cells as they grow old? Norman Sharpless and colleagues generated a knockout mouse lacking tumour suppressor p16INK4a, a protein involved in cell cycle control and known to be expressed in an age-dependent manner. Studying its role in regeneration of the blood, pancreas and brain, the three groups separately found that p16INK4a is not only a biomarker, but an effector of ageing. By comparing the effect of elevated or reduced p16INK4a expression in mice, they found that p16INK4a halts proliferation of stem cells, but only in older mice. Taken together, the work suggests that p16INK4a reduces cancer incidence via its tumour suppressor action, at the same time contributing to ageing by reducing stem cell function. The work also suggests that type 2 diabetes might be linked to the failure of the pancreatic islets to renew, and that blocking this protein in certain tissues might combat some effects of ageing. Three separate labs report that p16INK4a, a protein known to be expressed in an age-dependent manner regulates ageing specifically in stem cells. Studying its role in regeneration of three different tissues, the blood, pancreas, and brain, the three groups separately found that p16INK4a is not only a biomarker, but an effector of ageing. Mammalian ageing is associated with reduced regenerative capacity in tissues that contain stem cells1,2. It has been proposed that this is at least partially caused by the senescence of progenitors with age3,4; however, it has not yet been tested whether genes associated with senescence functionally contribute to physiological declines in progenitor activity. Here we show that progenitor proliferation in the subventricular zone and neurogenesis in the olfactory bulb, as well as multipotent progenitor frequency and self-renewal potential, all decline with age in the mouse forebrain. These declines in progenitor frequency and function correlate with increased expression of p16INK4a, which encodes a cyclin-dependent kinase inhibitor linked to senescence5. Ageing p16INK4a-deficient mice showed a significantly smaller decline in subventricular zone proliferation, olfactory bulb neurogenesis, and the frequency and self-renewal potential of multipotent progenitors. p16INK4a deficiency did not detectably affect progenitor function in the dentate gyrus or enteric nervous system, indicating regional differences in the response of neural progenitors to increased p16INK4a expression during ageing. Declining subventricular zone progenitor function and olfactory bulb neurogenesis during ageing are thus caused partly by increasing p16INK4a expression.

Bmi-1 is required for the post-natal maintenance of stem cells in multiple tissues including the central nervous system (CNS) and peripheral nervous system (PNS). Deletion of Ink4a or Arf from Bmi-1 -/- mice partially rescued stem cell self-renewal and stem cell frequency in the CNS and PNS, as well as forebrain proliferation and gut neurogenesis. Arf deficiency, but not Ink4a deficiency, partially rescued cerebellum development, demonstrating regional differences in the sensitivity of progenitors to p16 Ink4a and p19 Arf . Deletion of both Ink4a and Arf did not affect the growth or survival of Bmi-1 -/- mice or completely rescue neural development. Bmi-1 thus prevents the premature senescence of neural stem cells by repressing Ink4a and Arf , but additional pathways must also function downstream of Bmi-1.

Call to action The developing brain initially makes more synapses than it needs. With further development, excess synapses are pruned away, leaving mature circuits. Synapses can be eliminated by microglia, which engulf and destroy them. Vainchtein et al. found that the microglia are called into action by astrocytes, supportive cells on which neurons rely. Astrocytes near a redundant synapse release the cytokine interleukin-33 (IL-33), which recruits microglia to the site. In mice, disruptions in this process, as caused by deficiency in IL-33, led to too many excitatory synapses and overactive brain circuitry. Science , this issue p. 1269

Born to Stay Together For as many neurons as there are in the brain, there are many more astrocytes. These backstage workers perform a variety of functions, such as sustaining the blood-brain barrier and providing a stabilized environment for neurons. Diversity of astrocyte function is reflected in different molecular expression profiles. Tsai et al. (p. 358 , published online 28 June) selectively labeled astrocytes that originated from different domains of the mouse spinal cord and found that not all astrocytes are created equal: Neighborhoods of astrocytes were defined by shared birthplaces.

Synapse remodeling is essential to encode experiences into neuronal circuits. Here, we define a molecular interaction between neurons and microglia that drives experience-dependent synapse remodeling in the hippocampus. We find that the cytokine interleukin-33 (IL-33) is expressed by adult hippocampal neurons in an experience-dependent manner and defines a neuronal subset primed for synaptic plasticity. Loss of neuronal IL-33 or the microglial IL-33 receptor leads to impaired spine plasticity, reduced newborn neuron integration, and diminished precision of remote fear memories. Memory precision and neuronal IL-33 are decreased in aged mice, and IL-33 gain of function mitigates age-related decreases in spine plasticity. We find that neuronal IL-33 instructs microglial engulfment of the extracellular matrix (ECM) and that its loss leads to impaired ECM engulfment and a concomitant accumulation of ECM proteins in contact with synapses. These data define a cellular mechanism through which microglia regulate experience-dependent synapse remodeling and promote memory consolidation.

Summary Microglia are brain resident phagocytes that can engulf synaptic components and extracellular matrix as well as whole neurons. However, whether there are unique molecular mechanisms that regulate these distinct phagocytic states is unknown. Here we define a molecularly distinct microglial subset whose function is to engulf neurons in the developing brain. We transcriptomically identified a cluster of Type I interferon (IFN-I) responsive microglia that expanded 20-fold in the postnatal day 5 somatosensory cortex after partial whisker deprivation, a stressor that accelerates neural circuit remodeling. In situ , IFN-I responsive microglia were highly phagocytic and actively engulfed whole neurons. Conditional deletion of IFN-I signaling ( Ifnar1 fl/fl ) in microglia but not neurons resulted in dysmorphic microglia with stalled phagocytosis and an accumulation of neurons with double strand DNA breaks, a marker of cell stress. Conversely, exogenous IFN-I was sufficient to drive neuronal engulfment by microglia and restrict the accumulation of damaged neurons. IFN-I deficient mice had excess excitatory neurons in the developing somatosensory cortex as well as tactile hypersensitivity to whisker stimulation. These data define a molecular mechanism through which microglia engulf neurons during a critical window of brain development. More broadly, they reveal key homeostatic roles of a canonical antiviral signaling pathway in brain development.

Abstract It is widely assumed that cells must be physically isolated to study their molecular profiles. However, intact tissue samples naturally exhibit variation in cellular composition, which drives covariation of cell-class-specific molecular features. By analyzing transcriptional covariation in 7221 intact CNS samples from 840 individuals representing billions of cells, we reveal the core transcriptional identities of major CNS cell classes in humans. By modeling intact CNS transcriptomes as a function of variation in cellular composition, we identify cell-class-specific transcriptional differences in Alzheimer’s disease, among brain regions, and between species. Among these, we show that PMP2 is expressed by human but not mouse astrocytes and significantly increases mouse astrocyte size upon ectopic expression in vivo, causing them to more closely resemble their human counterparts. Our work is available as an online resource ( http://oldhamlab.ctec.ucsf.edu ) and provides a generalizable strategy for determining the core molecular features of cellular identity in intact biological systems.