SUMMARY Autism spectrum disorder (ASD) is a neurodevelopmental disease affecting social behavior. Many of the high-confident ASD risk genes relate to mRNA translation. Specifically, many of these genes are involved in regulation of gene expression for subcellular compartmentalization of proteins 1 . Cis-regulatory motifs that often localize to 3’- and 5’-untranslated regions (UTRs) offer an additional path for posttranscriptional control of gene expression. Alternative cleavage and polyadenylation (APA) affect 3’UTR length thereby influencing the presence or absence of regulatory elements. However, APA has not yet been addressed in the context of neurodevelopmental disorders. Here we used single cell 3’end sequencing to examine changes in 3’UTRs along the differentiation from neural stem cells (NSCs) to neuroblasts within the adult brain. We identified many APA events in genes involved in neurodevelopment, many of them being high confidence ASD risk genes. Further, analysis of 3’UTR lengths in single cells from ASD and healthy individuals detected longer 3’UTRs in ASD patients. Motif analysis of modulated 3’UTRs in the mouse adult neurogenic lineage and ASD-patients revealed enrichment of the cytoplasmic and polyadenylation element (CPE). This motif is bound by CPE binding protein 4 (CPEB4). In human and mouse data sets we observed co-regulation of CPEB4 and the CPEB-binding synaptic adhesion molecule amyloid beta precursor-like protein 1 (APLP1). We show that mice deficient in APLP1 show aberrant regulation of APA, decreased number of neural stem cells, and autistic-like traits. Our findings indicate that APA is used for control of gene expression along neuronal differentiation and is altered in ASD patients.

The inclusion of microexons by alternative splicing is frequent in neuronal proteins. The roles of these sequences are in most cases unknown, but changes in their degree of inclusion are associated with neurodevelopmental diseases. We recently found that the decreased inclusion of a 24-nucleotide neuron-specific microexon in CPEB4, an RNA-binding protein that regulates translation through cytoplasmic changes in poly(A) tail length, is linked to idiopathic autism spectrum disorder (ASD). Why this microexon is required and how small changes in its degree of inclusion generate a dominant-negative effect on the expression of ASD-linked genes is not clear. Here we show that neuronal CPEB4 forms condensates that dissolve upon depolarization, a phase transition associated with a switch from translational repression to activation. Heterotypic intermolecular interactions between the microexon and a cluster of histidine residues kinetically stabilize the condensates by competing with homotypic interactions between clusters, that otherwise lead to the irreversible aggregation of CPEB4. We conclude that microexon 4 in neuronal CPEB4 is required to preserve the reversible regulation of CPEB4-mediated gene expression in response to neuronal stimulation.

ABSTRACT Adult mammalian CNS neurons are unable to regenerate following axonal injury, leading to permanent functional impairments. Yet, the reasons underlying this regeneration failure are not fully understood. Here, we study the transcriptome and proteome shortly after spinal cord injury. Profiling of the total and ribosome-bound RNA in injured and naïve spinal cords identify a substantial post-transcriptional regulation of gene expression. In particular, transcripts associated with nervous system development were downregulated in the total RNA-fraction while remaining stably loaded onto ribosomes. Interestingly, motif association analysis of post-transcriptionally regulated transcripts identified the cytoplasmic polyadenylation element (CPE) as enriched in a subset of these transcripts that was more resistant to injury-induced reduction at transcriptome level. Modulation of these transcripts by overexpression of the CPE binding protein, Cpeb1, in mouse and Drosophila CNS neurons promoted axonal regeneration following injury. Our study uncovers a global conserved post-transcriptional mechanism enhancing regeneration of injured CNS axons.

The molecular mechanisms that shape the gene expression landscape during the development and maintenance of chronic states of brain hyperexcitability are incompletely understood. Here we show that cytoplasmic mRNA polyadenylation, a posttranscriptional mechanism for regulating gene expression, undergoes widespread reorganisation in temporal lobe epilepsy. Specifically, over 25% of the hippocampal transcriptome displayed changes in their poly(A) tail in mouse models of epilepsy, particular evident in the chronic phase. The expression of cytoplasmic polyadenylation binding proteins (CPEB1-4) was found to be altered in the hippocampus in mouse models of epilepsy and temporal lobe epilepsy patients and CPEB4 target transcripts were over-represented among those showing poly(A) tail changes. Supporting an adaptive function, CPEB4-deficiency leads to an increase in seizure severity and neurodegeneration in mouse models of epilepsy. Together, these findings reveal an additional layer of gene expression control during epilepsy and point to novel targets for seizure control and disease-modification in epilepsy.

SUMMARY Temporal control of inflammation is critical to avoid pathological developments, and is largely defined through the differential stabilities of mRNAs. While TTP-directed mRNA deadenylation is known to destabilize ARE-containing mRNAs, this mechanism alone cannot explain the variety of mRNA expression kinetics observed during inflammation resolution. Here we show that inflammation resolution requires CPEB4 expression, in vitro and in vivo . Our results identify that CPEB4-directed polyadenylation and TTP-mediated deadenylation compete during the resolutive phase of the LPS response to uncouple the degradation of pro-inflammatory mRNAs from the sustained expression of anti-inflammatory mRNAs. The outcome of this equilibrium is quantitatively defined by the relative number of CPEs and AREs in each mRNA, and further shaped by the coordinated regulation by the MAPK signalling pathway of the levels and activities of their trans-acting factors, CPEB4 and TTP. Altogether, we describe a temporal- and transcript-specific regulatory network controlling the extent of the inflammatory response.