Chondroitin sulphate proteoglycans in the extracellular matrix restrict plasticity in the adult central nervous system and their digestion with chondroitinase reactivates plasticity. However the structures in the extracellular matrix that restrict plasticity are unknown. There are many changes in the extracellular matrix as critical periods for plasticity close, including changes in chondroitin sulphate proteoglycan core protein levels, changes in glycosaminoglycan sulphation and the appearance of dense chondroitin sulphate proteoglycan-containing perineuronal nets around many neurons. We show that formation of perineuronal nets is triggered by neuronal production of cartilage link protein Crtl1 (Hapln1), which is up-regulated in the visual cortex as perineuronal nets form during development and after dark rearing. Mice lacking Crtl1 have attenuated perineuronal nets, but the overall levels of chondroitin sulphate proteoglycans and their pattern of glycan sulphation are unchanged. Crtl1 knockout animals retain juvenile levels of ocular dominance plasticity and their visual acuity remains sensitive to visual deprivation. In the sensory pathway, axons in knockout animals but not controls sprout into the party denervated cuneate nucleus. The organization of chondroitin sulphate proteoglycan into perineuronal nets is therefore the key event in the control of central nervous system plasticity by the extracellular matrix.

Abstract Perineuronal nets (PNNs) surround specific neurons in the brain and are involved in various forms of plasticity and clinical conditions. However, our understanding of the PNN role in these phenomena is limited by the lack of highly quantitative maps of PNN distribution and association with specific cell types. Here, we present the first comprehensive atlas of PNN distribution (in Allen Brain Atlas coordinates) and colocalization with parvalbumin (PV) cells for over 600 regions of the adult mouse brain. Data analysis showed that PV expression is a good predictor of PNN aggregation. In the cortex, PNNs are dramatically enriched in layer 4 of all primary sensory areas in correlation with thalamocortical input density, and their distribution mirrors intracortical connectivity patterns. Gene expression analysis identified many PNN correlated genes. Strikingly, PNN anticorrelated transcripts were enriched in synaptic plasticity genes, generalizing PNN role as circuit stability factors. Overall, this atlas offers novel resources for understanding the organizational principles of the brain extracellular matrix.

ABSTRACT Background Cyclin-Dependent Kinase-Like 5 (CDKL5) deficiency disorder (CDD) is a rare X-linked developmental encephalopathy caused by pathogenic variants of the CDKL5 gene. In addition to a diverse range of neurological symptoms, CDD patients frequently manifest gastrointestinal (GI) issues and subclinical immune dysregulation. This comorbidity suggests a potential association with the intestinal microbiota, prompting an investigation into whether gut dysbiosis contributes to the severity of both GI and neurological symptoms. Methods We examined the gut microbiota composition in two CDKL5 null (KO) mouse models in males at three different developmental stages: postnatal day (P) 25 and P32 during youth, and P70 during adulthood. Results Changes in diversity and composition were observed, particularly during juvenile ages, suggesting a potential gut microbiota dysbiosis in the CDD mouse models. To further understand the role of the gut microbiota in CDD, we administered an antibiotic cocktail to the mice and conducted functional and behavioral assessments. Remarkably, significant improvement in visual cortical responses and reductions in hyperactive behavior were observed. To shed light on the cellular mechanisms we focused on microglia. Alterations in specific aspects of microglia morphology, indicative of activation state and surveillance of the microenvironment, were observed in the CDKL5 KO mice and ameliorated by antibiotic administration. Conclusions Our findings highlight the potential impact of modifications in the intestinal microbiota on the severity of CDD symptoms, expanding our understanding beyond GI disturbances to encompass influences on neurological outcomes. This cross-border study provides valuable insights into the intricate interplay between gut microbiota and neurodevelopmental disorders.

Abstract Cyclin-dependent kinase-like 5 (CDKL5) deficiency disorder (CDD) is a devastating rare neurodevelopmental disease without a cure, caused by mutations of the serine/threonine kinase CDKL5 highly expressed in the forebrain. CDD is characterized by early-onset seizures, severe intellectual disabilities, autistic-like traits, sensorimotor and cortical visual impairments (CVI). The lack of an effective therapeutic strategy for CDD urgently demands the identification of novel druggable targets potentially relevant for CDD pathophysiology. To this aim, we studied metabotropic glutamate receptors 5 (mGluR5) for their important role in critical mechanisms involved in CDD, i.e.: synaptogenesis, dendritic spines formation/maturation and synaptic plasticity, and because mGluR5 function depends on the postsynaptic protein Homer1bc that is downregulated in the cerebral cortex of CDKL5 −/y mice. In this study, we reveal that CDKL5 loss tampers with (i) the strength of Homer1bc-mGluR5 binding, (ii) the synaptic localization of mGluR5 and (iii) the mGluR5-mediated enhancement of NMDA-induced neuronal responses. Importantly, we showed that the stimulation of mGluR5 activity by administering in mice specific positive-allosteric-modulators, i.e.: 3-Cyano-N-(1,3-diphenyl-1H-pyrazol-5-yl)benzamide (CDPPB) or RO6807794, corrected the synaptic, functional and behavioural defects shown by CDKL5 −/y mice. Notably, the cerebral cortex of 2 CDD patients show similar changes in the synaptic organization to mutant CDKL5 mice, including a reduced mGluR5 expression, suggesting that mGluR5 represent a promising therapeutic target for CDD patients.

Abstract Creatine transporter deficiency prevents creatine uptake into the brain, leading to mental retardation. To better understand the pathophysiology, this study focuses on the identification of biomarkers related to cognitive improvement in a Slc6a8 knockout mouse model (Slc6a8/y) engineered to mimic the clinical features of CTD patients which have low brain creatine content. Shotgun proteomics analysis of 4,035 proteins in four different brain regions; the cerebellum, cortex, hippocampus (associated with cognitive functions) and brain stem, and muscle as a control, was performed in 24 mice. Comparisons of the protein abundance in the four brain regions between DCE-treated intranasally Slc6a8-/y mice and wild type and DCE-treated Slc6a8-/y and vehicle group identified 14 biomarkers, shedding light on the mechanism of action of DCE. Integrative bioinformatics and statistical modeling identified key proteins associated with CTD, including KIF1A and PLCB1. The abundance of these proteins in the four brain regions was significantly correlated with both the object recognition and the Y-maze tests. Functional analysis confirmed their key roles and associated molecules in CTD pathogenesis.