Abstract Background In silico data exploration is a key first step of exploring a research question. There are many publicly available databases and tools that offer appealing features to help with such a task. However, many applications lack exposure or are constrained with unfriendly or outdated user interfaces. Thus, it follows that there are many resources that are relevant to investigation of medical disorders that are underutilized. Results We developed an R Shiny web application, called Kaleidoscope, to address this challenge. The application offers access to several omics databases and tools to let users explore research questions in silico . The application is designed to be user- friendly with a unified user interface, while also scalable by offering the option of uploading user-defined datasets. We demonstrate the application features with a starting query of a single gene (Disrupted in schizophrenia 1, DISC1) to assess its protein-protein interactions network. We then explore expression levels of the gene network across tissues and cell types in the brain, as well as across 34 schizophrenia versus control differential gene expression datasets. Conclusion Kaleidoscope provides easy access to several databases and tools under a unified user interface to explore research questions in silico . The web application is open-source and freely available at https://kalganem.shinyapps.io/Kaleidoscope/ . This application streamlines the process of in silico data exploration for users and expands the efficient use of these tools to stakeholders without specific bioinformatics expertise.

Abstract Astrocytes have many important functions in the brain, but their roles in CNS disorders and their responses to psychotropic medications are still being elucidated. In this study, we used gene enrichment analysis to assess the relationships between different astrocyte subtypes, neurological and psychiatric diseases, and psychotropic medications. We also carried out qPCR analyses and “look-up” studies to further assess the chronic effects of these drugs on astrocyte marker gene expression. Our bioinformatic analysis identified differential gene enrichment of different astrocyte subtypes in CNS disorders. The “common” astrocyte subtype was the most frequently enriched across disorders, but the highest level of enrichment was found in depression, supporting a role for astrocytes in this disorder. We also identified common enrichment of metabolic and signal transduction-related biological processes in astrocyte subtypes and CNS disorders. However, enrichment of different psychotropic medications, including antipsychotics, antidepressants, and mood stabilizers, was limited in astrocyte subtypes. These results were confirmed by “look-up” studies and qPCR analysis, which also reported little effect of common psychotropic medications on astrocyte marker gene expression, suggesting that astrocytes are not a primary target of these medications. Overall, this study provides a unique view of astrocyte subtypes and the effect of medications on astrocytes in disease, which will contribute to our understanding of their role in CNS disorders and offers insights into targeting astrocytes therapeutically.

Abstract Schizophrenia is characterized by substantial alterations in brain function, and previous studies suggest insulin signaling pathways, particularly involving AKT, are implicated in the pathophysiology of the disorder. This study demonstrates elevated mRNA expression of AKT1-3 in neurons from schizophrenia subjects, contrary to unchanged or diminished total AKT protein expression reported in previous postmortem studies, suggesting a potential decoupling of transcript and protein levels. Sex-specific differential AKT activity was observed, indicating divergent roles in males and females with schizophrenia. Alongside AKT, upregulation of PDK1, a critical component of the insulin signaling pathway, and several protein phosphatases known to regulate AKT were detected. Moreover, enhanced expression of the transcription factor FOXO1, a regulator of glucose metabolism, hints at possible compensatory mechanisms related to insulin signaling dysregulation. Findings were largely independent of antipsychotic medication use, suggesting inherent alterations in schizophrenia. These results highlight the significance of AKT and related signaling pathways in schizophrenia, proposing that these changes might represent a compensatory response to a primary defect of insulin signaling. This research underscores the need for a detailed understanding of these signaling pathways for the development of effective therapeutic strategies.

Abstract Background Schizophrenia (SCZ) is a serious mental illness with complex pathology, including abnormalities in the glutamate system. Glutamate is rapidly removed from the synapse by excitatory amino acid transporters (EAATs). Changes in the expression and localization of the primary glutamate transporter EAAT2 are found in the brain in central nervous system (CNS) disorders including SCZ. We hypothesize that neuronal expression and function of EAAT2 are increased in the frontal cortex in subjects diagnosed with SCZ. Study Design EAAT2 protein expression and glutamate transporter function were assayed in synaptosome preparations from the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) of SCZ subjects and age- and sex-matched nonpsychiatrically ill controls. EAAT2 splice variant transcript expression was assayed in enriched populations of neurons and astrocytes from the DLPFC. Pathway analysis of publicly available transcriptomic datasets was carried out to identify biological changes associated with EAAT2 perturbation in different cell types. Results We found no significant changes in EAAT2 protein expression or glutamate uptake in the DLPFC in SCZ subjects compared with controls (n = 10/group). Transcript expression of EAAT2 and signaling molecules associated with EAAT2b trafficking (CaMKIIa and DLG1) were significantly altered in enriched populations of astrocytes and pyramidal neurons (P < .05) in SCZ (n = 16/group). These changes were not associated with antipsychotic medications. Pathway analysis also identified cell-type-specific enrichment of biological pathways associated with perturbation of astrocyte (immune pathways) and neuronal (metabolic pathways) EAAT2 expression. Conclusions Overall, these data support the growing body of evidence for the role of dysregulation of the glutamate system in the pathophysiology of SCZ.

We utilized a cell-level approach to examine glycolytic pathways in the DLPFC of subjects with schizophrenia (n=16) and control (n=16) subjects and found decreased mRNA expression of glycolytic enzymes in pyramidal neurons, but not astrocytes. To replicate these novel bioenergetic findings, we probed independent datasets for bioenergetic targets and found similar abnormalities. Next, we used a novel strategy to build a schizophrenia bioenergetic profile by a tailored application of the Library of Integrated Network-Based Cellular Signatures data portal (iLINCS) and investigated connected cellular pathways, kinases, and transcription factors using Enrichr. Finally, with the goal of identifying drugs capable of "reversing" the bioenergetic schizophrenia signature, we performed a connectivity analysis with iLINCS and identified peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) agonists as promising therapeutic targets. We administered a PPAR agonist to the GluN1 knockdown model of schizophrenia and found it improved long-term memory. Taken together, our findings suggest that tailored bioinformatics approaches, coupled with the LINCS library of transcriptional signatures of chemical and genetic perturbagens may be employed to identify novel treatment strategies for schizophrenia and related diseases.

Abstract Experience-dependent learning depends on synaptic plasticity. While plasticity in individual synapses has been extensively investigated, the mechanisms underlying coordinated changes across sets of synapses on multiple dendrites, likely needed to encode effective adaptations to a salient stimulus, are not well understood. The extracellular matrix is uniquely well suited to fulfill this function, as rapid glia-driven remodeling of its local composition powerfully impact synaptic plasticity. We show that extracellular matrix microenvironments, named CS6 clusters, dynamically form around several dendrites in response to sensory stimuli in coincidence to stimulus-driven synaptic plasticity. CS6 clusters, formed by glia-dependent secretion of extracellular matrix components surrounding sets of adjacent dendrites, may represent a novel structure supporting coordinated synaptic plasticity. One Sentence Summary Extracellular matrix clusters form microenvironments for coordinated multi-dendrite synaptic plasticity.

ABSTRACT Schizophrenia (SCZ) is a severe and debilitating mental illness. Antipsychotic drugs (APDs) are used to treat both positive and negative SCZ symptoms, by influencing the cellular, subcellular-synaptic, and molecular processes. We posit that these effects influence our understanding of SCZ. To address this, we analyzed postmortem dorsolateral prefrontal cortex grey matter samples from control and SCZ subjects (n=10/group) using liquid-chromatography mass-spectrometry-based proteomics. We retrieved SCZ-altered and APD-influenced proteome-sets using linear and mixed linear models, respectively, and validated them experimentally using independent cohorts and insilico using published datasets. Functional analysis of proteome-sets was contrasted at the biological pathway, cell-type, subcellular-synaptic, and drug-target levels. The SCZ-altered proteome was conserved across several studies from DLPFC and other brain areas and was dependent on drug effect. At the pathway level, we observed an aberrant extracellular event and, except for homeostasis, signal-transduction, cytoskeleton, and dendrites associated downregulated changes, the APDs compensated for the majority of the SCZ-altered pathways. At the cell-type level, the up-and down-regulated SCZ-altered events were associated with two different subsets of striatum projecting layer-5 pyramidal-neurons regulating dopaminergic secretion. At the subcellular synaptic level, compensatory pre- and post-synaptic events were observed. At the drug target level, dopaminergic processes influence the SCZ-altered up-regulated proteome, whereas non-dopaminergic and a diverse array of non-neuromodulatory mechanisms influence the SCZ-altered down-regulated proteome. While these findings are dependent on pharmacological effects, they are also consistent with previous SCZ studies, implying the need to re-evaluate previous results. We discuss our findings in the context of cortico-striatal influence in SCZ-pathology.

Abstract Background and Hypothesis The amygdala, crucial for mood, anxiety, fear, and reward regulation, shows neuroanatomical and molecular divergence in psychiatric disorders like schizophrenia, bipolar disorder and major depression. This region is also emerging as an important regulator of metabolic and immune pathways. The goal of this study is to address the paucity of molecular studies in the human amygdala. We hypothesize that diagnosis-specific gene expression alterations contribute to the unique pathophysiological profiles of these disorders. Study Design We used a cohort of subjects diagnosed with SCZ, BPD or MDD, and nonpsychiatrically ill control subjects (n = 15/group), together with our bioinformatic 3-pod analysis consisting of full transcriptome pathway analysis, targeted pathway analysis, leading-edge gene analysis and iLINCS perturbagen analysis. Study Results We identified altered expression of metabolic pathways in each disorder. Subjects with SCZ displayed downregulation of mitochondrial respiration and nucleotide metabolism pathways. In comparison, we observed upregulation of mitochondrial respiration pathways in subjects with MDD, while subjects with BPD displayed enrichment of pathways involved in carbohydrate metabolism. Several pathways associated with brain metabolism including immune system processes and calcium ion transport were also differentially altered between diagnosis groups. Conclusion Our findings suggest metabolic pathways, including downregulation of energy metabolism pathways in SCZ and upregulation of energy metabolism pathways in MDD, are uniquely altered in the amygdala in these disorders, which may impact approaches for therapeutic strategies.