Fragile X syndrome (FXS) is caused by loss of the FMR1 gene product FMRP (fragile X mental retardation protein), a repressor of mRNA translation. According to the metabotropic glutamate receptor (mGluR) theory of FXS, excessive protein synthesis downstream of mGluR5 activation causes the synaptic pathophysiology that underlies multiple aspects of FXS. Here, we use an in vitro assay of protein synthesis in the hippocampus of male Fmr1 knock-out (KO) mice to explore the molecular mechanisms involved in this core biochemical phenotype under conditions where aberrant synaptic physiology has been observed. We find that elevated basal protein synthesis in Fmr1 KO mice is selectively reduced to wild-type levels by acute inhibition of mGluR5 or ERK1/2, but not by inhibition of mTOR (mammalian target of rapamycin). The mGluR5-ERK1/2 pathway is not constitutively overactive in the Fmr1 KO, however, suggesting that mRNA translation is hypersensitive to basal ERK1/2 activation in the absence of FMRP. We find that hypersensitivity to ERK1/2 pathway activation also contributes to audiogenic seizure susceptibility in the Fmr1 KO. These results suggest that the ERK1/2 pathway, and other neurotransmitter systems that stimulate protein synthesis via ERK1/2, represent additional therapeutic targets for FXS.

The prevalence of Alzheimer’s disease (AD), the leading cause of dementia, shows a strict age-dependency, but why ageing constitutes the main risk factor for this disease is still poorly understood. Brain ageing affects oligodendrocytes 1 and the structural integrity of myelin sheaths 2 , the latter associated with secondary neuroinflammation 3 . Since oligodendrocytes support axonal and neuronal health 4–7 , we hypothesised that ageing-associated loss of myelin integrity could be an upstream risk factor for neuronal amyloid-β (Aβ) deposition, the primary neuropathological hallmark of AD. Here, we show that in AD mouse models different genetically induced defects of myelin integrity or demyelinating injuries are indeed potent drivers of amyloid deposition in vivo , quantified by whole brain light sheet microscopy. Conversely, the lack of myelin in the forebrain provides protection against plaque deposition. Mechanistically, we find that myelin dysfunction causes the accumulation of the Aβ producing machinery within axonal swellings and increases cortical amyloid precursor protein (APP) cleavage. Surprisingly, AD mice with dysfunctional myelin lack plaque-corralling microglia but show a disease-associated microglia (DAM)-like signature as revealed by bulk and single cell transcriptomics. These activated microglia, however, are primarily engaged with myelin, preventing the protective reactions of microglia to Aβ plaques. Our data suggest a working model, in which age-dependent structural defects of myelin promote plaque formation, directly and indirectly, and are thus an upstream AD risk factor. Improving oligodendrocyte health and myelin integrity could be a promising target to delay AD.g

ABSTRACT Neuroligin-3 is a postsynaptic adhesion molecule involved in development, function, and pathologies of synapses in the brain. It is a genetic cause of autism and a potent component of the tumor microenvironment in gliomas. There are four Neuroligins that operate at distinct synapse types, selectively interacting with presynaptic adhesion and postsynaptic scaffold proteins. We investigated the subcellular localization and scaffold specificities of synaptic Neuroligin-3 and demonstrate an unexpected pattern of localization to excitatory synapses in cortical areas, and inhibitory synapses in subcortical areas. Using phosphoproteomics, we identify Neuroligin-3-specific serine phosphorylation in cortex and hippocampus that obstructs a key binding site for inhibitory synapse scaffolds. Using in utero CRISPR/Cas9 knockout and replacement with phosphomimetic mutants, we demonstrate that phosphorylation at this site determines excitatory versus inhibitory synapse localization of Neuroligin-3 in vivo . Our data reveal a mechanism that differentially regulates the balance of Neuroligin-3 between excitatory and inhibitory synapses, adding to our emerging understanding of their role in the development of brain connectivity and associated pathologies.

Inhibitory synaptic transmission plays a key role in the circuits underlying anxiety behaviors, but the network mechanisms by which disruptions in synaptic inhibition contribute to pathological anxiety processing remain largely unknown. Here we addressed this question in mice lacking the inhibitory synapse-specific adhesion protein Neuroligin-2 (Nlgn2), which display widespread reduction in inhibitory synaptic transmission as well as a pronounced anxiety phenotype. To investigate how the lack of synaptic inhibition alters the communication between key brain regions in anxiety processing, we recorded local field potentials (LFPs) simultaneously from a network of brain regions involved in anxiety processing, including the basolateral amygdala (BLA), centromedial amygdala, bed nucleus of the stria terminalis, prefrontal cortex and ventral hippocampus (vHPC). We found that LFP power in the vHPC was profoundly increased while vHPC-directed theta frequency synchrony was disrupted in Nlgn2 KO mice under anxiogenic conditions. Instead, deletion of Nlgn2 increased beta frequency synchrony across the anxiety network, and the theta / beta synchrony ratio strongly predicted anxiety behaviors in an open field paradigm. Local deletion of Nlgn2 in the vHPC and BLA revealed that they encode distinct aspects of the anxiety phenotype of the Nlgn2 KO mice, with vHPC linked to anxiety induced freezing and BLA linked to reduction in exploratory activity. Together, our data demonstrate that alterations in long-range functional connectivity link synaptic inhibition to abnormal anxiety behaviors, and that Nlgn2 KO mice represent an interesting model to study the role of inhibitory synaptic transmission in the circuits underlying anxiety disorders.

A bstract The function of GABAergic synapses is critically shaped by cell adhesion proteins that recruit GABA A Rs to synapses and mediate transsynaptic signalling, but the synapse-type-specific function of such synaptic adhesion proteins and their mutual interaction remain incompletely understood. A ubiquitous cell adhesion protein at GABAergic synapses is Neuroligin-2 (Nlgn2), which recruits synaptic GABA A Rs by promoting the assembly of the postsynaptic gephyrin scaffold. While Nlgn2 is present at virtually all GABAergic synapses throughout the forebrain, its loss affects different GABAergic synapse subtypes with different severity, indicating that synapse-specific interactors and synapse-organizer-redundancies define the function of Nlgn2 for a given synapse type. Here we investigated how Nlgn2 function at GABAergic synapses in mouse hippocampal area CA1 is modulated by two recently identified interaction partners, MDGA1 and MDGA2. We show that Nlgn2 and MDGA1 colocalize most prominently in the stratum radiatum (S.R.) of area CA1, and that combined Nlgn2 and MDGA1 deletion causes a layer-specific exacerbation of the loss of gephyrin puncta in layer S.R. seen following Nlgn2 deletion. Intriguingly, combined Nlgn2 and MDGA1 deletion concurrently ameliorates the abnormal cytosolic gephyrin aggregation, the reduction in inhibitory synaptic transmission and the exacerbated anxiety-related behavior seen in Nlgn2 knockout (KO) mice. In contrast, heterozygous deletion of MDGA2 in Nlgn2 KO mice has only minor effects on gephyrin and GABA A R puncta and does not normalize cytosolic gephyrin aggregates, inhibitory synaptic transmission or anxiety-related behavior. Our data indicate that MDGA1, but not MDGA2, modulates Nlgn2 function, primarily by regulating the formation of cytosolic gephyrin aggregates. Given that both Nlgn2 and the MDGA family of proteins have been linked to psychiatric disorders, such as autism and schizophrenia, our data lead to the notion that abnormal gephyrin aggregation may contribute to the pathophysiology of these disorders, and that intervention with gephyrin aggregation could present a novel therapeutic strategy.

Astrocyte-derived cholesterol supports brain cells under physiological conditions. However, in demyelinating lesions, astrocytes downregulate cholesterol synthesis and the cholesterol that is essential for remyelination has to originate from other cellular sources. Here, we show that repair following acute versus chronic demyelination involves distinct processes. In particular, we found that in chronic myelin disease, when recycling of lipids is often defective, de novo neuronal cholesterol synthesis is critical for regeneration. By gene expression profiling, genetic loss of function experiments and comprehensive phenotyping, we provide evidence that neurons increase cholesterol synthesis in chronic myelin disease models and MS patients. In mouse models, neuronal cholesterol facilitated remyelination specifically by triggering OPC proliferation. Our data contribute to the understanding of disease progression and have implications for therapeutic strategies in MS patients.