The disease mechanism of bipolar disorder remains unknown. Recent studies have provided evidence for abnormal gene expression in bipolar disorder.To determine the expression of 12558 nuclear genes in the human hippocampus in healthy control subjects and those with bipolar disorder or schizophrenia.We used gene arrays to study messenger RNA expression. Data were verified with a real-time quantitative polymerase chain reaction assay.We studied 10 healthy control subjects, 9 subjects with bipolar disorder, and 8 subjects with schizophrenia.The expression of nuclear messenger RNA coding for mitochondrial proteins was significantly decreased in the hippocampus in subjects with bipolar disorder but not in those with schizophrenia. Subjects with bipolar disorder were characterized by a pronounced and extensive decrease in the expression of genes regulating oxidative phosphorylation and the adenosine triphosphate-dependent process of proteasome degradation.These findings point toward a widespread dysregulation of mitochondrial energy metabolism and downstream deficits of adenosine triphosphate-dependent processes in bipolar disorder.

To explore the developmental reorganization of the three-dimensional genome of the brain in the context of neuropsychiatric disease, we monitored chromosomal conformations in differentiating neural progenitor cells. Neuronal and glial differentiation was associated with widespread developmental remodeling of the chromosomal contact map and included interactions anchored in common variant sequences that confer heritable risk for schizophrenia. We describe cell type-specific chromosomal connectomes composed of schizophrenia risk variants and their distal targets, which altogether show enrichment for genes that regulate neuronal connectivity and chromatin remodeling, and evidence for coordinated transcriptional regulation and proteomic interaction of the participating genes. Developmentally regulated chromosomal conformation changes at schizophrenia-relevant sequences disproportionally occurred in neurons, highlighting the existence of cell type-specific disease risk vulnerabilities in spatial genome organization.

Abstract The vertebrate brain consists of diverse neuronal types, classified by distinct anatomy and function, along with divergent transcriptomes and proteomes. Defining the cell type-specific neuroproteome is important for understanding the development and functional organization of neural circuits. This task remains challenging in complex tissue, due to suboptimal protein isolation techniques that often result in loss of cell-type specific information and incomplete capture of subcellular compartments. Here, we develop a genetically targeted proximity labeling approach to identify cell-type specific subcellular proteome in the mouse brain. Using adeno- associated viral transduction, we express subcellular-localized APEX2 to map the proteome of the nucleus, cytosol, and cell membrane of Drd1 receptor-positive striatal neurons. We show that each APEX2 construct can differentially and rapidly biotinylate proteins in situ across various subcellular compartments, confirmed by imaging, electron microscopy, and mass spectrometry. This method enables flexible, cell-type specific quantitative profiling of subcellular proteome in the mouse brain.

Abstract D-serine is the primary NMDA receptor (NMDAR) co-agonist at mature forebrain synapses and is synthesized by the enzyme serine racemase (SR). However, our understanding of the mechanisms regulating the availability of synaptic D-serine remains limited. Though early studies suggested D-serine is synthesized and released from astrocytes, more recent studies have demonstrated a predominantly neuronal localization of SR. More specifically, recent work intriguingly suggests that SR may be found at the postsynaptic density, yet the functional implications of postsynaptic SR on synaptic transmission are not yet known. Here, we show an age-dependent dendritic and postsynaptic localization of SR and D-serine by immunohistochemistry and electron microscopy in mouse CA1 pyramidal neurons, as well as the presence of SR in human hippocampal synaptosomes. In addition, using a single-neuron genetic approach in SR conditional knockout mice, we demonstrate a cell-autonomous role for SR in regulating synaptic NMDAR function at Schaffer collateral (CA3)-CA1 synapses. Importantly, single-neuron genetic deletion of SR resulted in the elimination of LTP at one month of age. Interestingly, there was a restoration of LTP by two months of age that was associated with an upregulation of synaptic GluN2B. Our findings support a cell-autonomous role for postsynaptic neuronal SR in regulating synaptic NMDAR function and suggests a possible autocrine mode of D-serine action.

Protein glycosylation represents one of the most common and heterogeneous post-translation modifications (PTMs) in human biology. Herein, an approach for the enrichment of glycopeptides using multi-lectin weak affinity chromatography (M-LWAC), followed by fractionation of the enriched material, and multi-mode fragmentation LC/MS is described. Two fragmentation methods, high-energy collision induced dissociation (HCD) and electron transfer dissociation (EThcD), were independently analyzed. While each fragmentation method provided similar glycopeptide coverage, there was some dependence on the glycoform identity. From these data a total of 7,503 unique glycopeptides belonging to 666 glycoproteins from the combined tissue types, human serum and brain, were identified. Of these, 617 glycopeptides (192 proteins) were found in both tissues; 2,006 glycopeptides (48 proteins) were unique to serum, and 4,880 glycopeptides (426 proteins) were unique to brain tissue. From 379 unique glycoforms, 1,420 unique sites of glycosylation were identified, with an average of four glycans per site. Glycan occurrences were significantly different between tissue types: serum showed greater glycan diversity whereas brain tissue showed a greater abundance of the high mannose family. Glycosylation co-occurrence rates were determined, which enabled us to infer differences in underlying biosynthetic pathways.

ABSTRACT DNA damage and cellular metabolism are intricately linked with bidirectional feedback. Two of the main effectors of the DNA damage response and control of cellular metabolism are ATR and mTORC1, respectively. Prior work has placed ATR upstream of mTORC1 during replication stress, yet the direct mechanism for how mTORC1 is activated in this context remain unclear. We previously published that p16-low cells have mTORC1 hyperactivation, which in part promotes their proliferation. Using this model, we found that ATR, but not ATM, is upstream of mTORC1 activation via de novo cholesterol synthesis and is associated with increased lanosterol synthase (LSS). Indeed, p16-low cells showed increased cholesterol abundance. Additionally, knockdown of either ATR or LSS decreased mTORC1 activity. Decreased mTORC1 activity due to ATR knockdown was rescued by cholesterol supplementation. Finally, using both LSS inhibitors and multiple FDA-approved de novo cholesterol synthesis inhibitors, we found that the de novo cholesterol biosynthesis pathway is a metabolic vulnerability of p16-low cells. Together, our data provide new evidence coupling the DNA damage response and cholesterol metabolism and demonstrate the feasibility of using FDA-approved cholesterol-lowering drugs in tumors with loss of p16.

The voltage-gated calcium channel (VGCC) subunit complex is comprised of the α1 subunit, the ion-permeable channel, and three auxiliary subunits: β, α2δ, and γ. β is the most extensively studied auxiliary subunit and is necessary for forward trafficking of the α1 subunit to the plasma membrane. VGCCs mediate voltage-dependent movement of calcium ions into neuronal cytoplasm, including at dendrites, where intracellular calcium spikes initiate signaling cascades that shape the structural plasticity of dendritic spines. Genetic studies strongly implicate calcium signaling dysfunction in the etiology of neurodevelopmental disorders including schizophrenia. Dendritic spine density is significantly decreased in schizophrenia in the primary auditory cortex where it is driven by the loss of small spines, and small spine loss associated with increased peptide levels of ALFDFLK found in the VGCC β subunit β4. Overexpressing the gene that encodes the voltage-gated calcium channel subunit β4, CACNB4, selectively reduced small spine density in vitro. In the current study we extended this observation in an intact mammalian system within a relevant neurodevelopmental context. We overexpressed CACNB4 in early development, assessed spine density and morphology in adult male and female mouse cortex, and characterized β1-4 protein levels and β4 protein-protein interactions. Overexpression reduced small spine density in females. This effect was not dependent on the estrous stage. Instead, it corresponded to sex differences in the murine β4 interactome. The VGCC subunit β1b was significantly enriched in the β4 interactome of male relative to female mice, and thus may have served to mitigate VGCC overexpression-mediated spine loss in male mice.

ABSTRACT Mammalian axonal development begins in embryonic stages and continues postnatally. After birth, axonal proteomic landscape changes rapidly, coordinated by transcription, protein turnover, and post-translational modifications. Comprehensive profiling of axonal proteomes across neurodevelopment is limited, with most studies lacking cell-type and neural circuit specificity, resulting in substantial information loss. We create a Cre-dependent APEX2 reporter mouse line and map cell-type specific proteome of corticostriatal projections across postnatal development. We synthesize analysis frameworks to define temporal patterns of axonal proteome and phosphoproteome, identifying co-regulated proteins and phosphorylations associated with genetic risk for human brain disorders. We discover proline-directed kinases as major developmental regulators. APEX2 transgenic reporter proximity labeling offers flexible strategies for subcellular proteomics with cell type specificity in early neurodevelopment, a critical period for neuropsychiatric disease.