Circular RNAs (circRNAs) are an endogenous class of animal RNAs. Despite their abundance, their function and expression in the nervous system are unknown. Therefore, we sequenced RNA from different brain regions, primary neurons, isolated synapses, as well as during neuronal differentiation. Using these and other available data, we discovered and analyzed thousands of neuronal human and mouse circRNAs. circRNAs were extraordinarily enriched in the mammalian brain, well conserved in sequence, often expressed as circRNAs in both human and mouse, and sometimes even detected in Drosophila brains. circRNAs were overall upregulated during neuronal differentiation, highly enriched in synapses, and often differentially expressed compared to their mRNA isoforms. circRNA expression correlated negatively with expression of the RNA-editing enzyme ADAR1. Knockdown of ADAR1 induced elevated circRNA expression. Together, we provide a circRNA brain expression atlas and evidence for important circRNA functions and values as biomarkers.

Cutting out circular RNAs Circular RNAs are widespread, but their functions have been controversial. Piwecka et al. used CRISPR-Cas9 technology to remove the locus encoding the circular RNA Cdr1as from the mouse genome. Single-cell electrophysiological measurements in excitatory neurons revealed an increase in spontaneous vesicle release from the knockout mice and depression in the synaptic response with two consecutive stimuli, indicating that Cdr1as deficiency leads to dysfunction of excitatory synaptic transmission. Small RNA sequencing of several major regions of the brain showed that expression of two microRNAs, miR-7 and miR-671, that bind to Cdr1as decreased and increased, respectively. These results, along with expression analyses, suggest that neuronal Cdr1as stabilizes or transports miR-7, which in turn represses genes that are early responders to different stimuli. Science , this issue p. eaam8526

The let-7 miRNA regulates developmental timing in C. elegans and is an important paradigm for investigations of miRNA functions in mammalian development. We have examined the role of miRNA precursor processing in the temporal control and lineage specificity of the let-7 miRNA. In situ hybridization (ISH) in E9.5 mouse embryos revealed early induction of let-7 in the developing central nervous system. The expression pattern of three let-7 family members closely resembled that of the brain-enriched miRNAs mir-124, mir-125 and mir-128. Comparison of primary, precursor, and mature let-7 RNA levels during both embryonic brain development and neural differentiation of embryonic stem cells and embryocarcinoma (EC) cells suggest post-transcriptional regulation of let-7 accumulation. Reflecting these results, let-7 sensor constructs were strongly down-regulated during neural differentiation of EC cells and displayed lineage specificity in primary cells. Neural differentiation of EC cells was accompanied by an increase in let-7 precursor processing activity in vitro. Furthermore, undifferentiated and differentiated cells contained distinct precursor RNA binding complexes. A neuron-enhanced binding complex was shown by antibody challenge to contain the miRNA pathway proteins Argonaute1 and FMRP. Developmental regulation of the processing pathway correlates with differential localization of the proteins Argonaute, FMRP, MOV10, and TNRC6B in self-renewing stem cells and neurons.—Wulczyn, F. G., Smirnova, L., Rybak, A., Brandt, C., Kwidzinski, E., Ninnemann, O., Strehle, M., Seiler, A., Schumacher, S., Nitsch, R. Post-transcriptional regulation of the let-7 microRNA during neural cell specification. FASEB J. 21, 415–426 (2007)

Abstract Organoids derived from stem cells become increasingly important to study human development and to model disease. However, methods are needed to control and study spatio-temporal patterns of gene expression in organoids. To this aim, we combined optogenetics and gene perturbation technologies to activate or knock-down RNA of target genes, at single-cell resolution and in programmable spatio-temporal patterns. To illustrate the usefulness of our approach, we locally activated Sonic Hedgehog ( SHH ) signaling in an organoid model for human neurodevelopment. High-resolution spatial transcriptomic and single-cell analyses showed that this local induction was sufficient to generate stereotypically patterned organoids in three dimensions and revealed new insights into SHH ’s contribution to gene regulation in neurodevelopment. With this study, we propose optogenetic perturbations in combination with spatial transcriptomics as a powerful technology to reprogram and study cell fates and tissue patterning in organoids.

Abstract Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) infection of the nervous system may lead to brain damage, including neurodegeneration. However, lack of suitable experimental models hinders understanding molecular mechanisms and cell-type-specific responses triggered by HSV-1. Here, we infected human brain organoids with HSV-1. Known features of HSV-1 infection such as alteration of neuronal electrophysiology and induction of antisense transcription were confirmed. Full-length mRNA-sequencing revealed aberrant 3’ end formation and poly(A)-tail lengthening. Single-cell RNA-seq and spatial transcriptomics uncovered changes in the cellular composition of the infected organoids caused by viral replication and dysregulation of molecular pathways in cell-type specific manner. Furthermore, hallmarks of early neurodegeneration were observed, namely extracellular matrix disruption, STMN2 and TARDBP/TDP43 downregulation, and upregulation of the AD-related non-coding RNA BC200/BCYRN1. These hallmarks were weaker/absent when infecting with a mutant HSV-1 control. Together, our data indicate that brain organoids serve as a powerful model to study mechanisms of HSV-1-driven neurodegeneration.

Abstract Background Alzheimer’s disease (AD) is characterized by the accumulation of amyloid-β (Aβ) peptides in intra- and extracellular deposits. How Aβ aggregates perturb the proteome in brains of patients and AD transgenic mouse models, however, remains largely unclear. State-of-the-art mass spectrometry (MS) methods can comprehensively detect proteomic alterations in neurodegenerative disorders, providing relevant insights unobtainable with transcriptomics investigations. Analyses of the relationship between progressive Aβ aggregation and protein abundance changes in brains of 5xFAD transgenic mice have not been reported previously. Methods We quantified progressive Aβ aggregation in hippocampus and cortex of 5xFAD mice and controls with immunohistochemistry and biochemical membrane filter assays. Protein changes in different mouse tissues were analysed by MS-based proteomics using label-free quantification (LFQ); resulting MS data were processed using an established pipeline. Results were contrasted with existing proteomic data sets from postmortem AD patient brains. Finally, abundance changes in the candidate marker Arl8b were validated in CSF from AD patients and controls using ELISAs. Results: Experiments revealed a more rapid accumulation of Aβ42 peptides in hippocampus than in cortex of 5xFAD mice, accompanied by many more protein abundance changes in hippocampus than in cortex, indicating that Aβ42 aggregate deposition is associated with brain region-specific proteome perturbations. Generating time-resolved data sets, we defined Aβ aggregate-correlated and anticorrelated proteome changes, a fraction of which was conserved in postmortem AD patient brain tissue, suggesting that proteome changes in 5xFAD mice mimic disease relevant changes in human AD. We detected a positive correlation between Aβ42 aggregate deposition in the hippocampus of 5xFAD mice and the abundance of the lysosome-associated small GTPase Arl8b, which accumulated together with axonal lysosomal membranes in close proximity of extracellular Aβ plaques in 5xFAD brains. Abnormal aggregation of Arl8b was observed in AD brain tissue. Arl8b protein levels were significantly increased in cerebrospinal fluid (CSF) of AD patients, a clinically accessible body fluid. Conclusions We report a comprehensive biochemical and proteomic investigation of hippocampal and cortical brain tissue derived from 5xFAD transgenic mice, providing a valuable resource to the neuroscientific community. We identified Arl8b, with significant abundance changes in 5xFAD and AD patient brains. Arl8b might enable the measurement of progressive lysosome accumulation in AD patients and have clinical utility as a candidate biomarker. Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD030348.

Summary Mitochondrial disease encompasses untreatable conditions affecting tissues with high energy demands. A severe manifestation of mitochondrial disease is Leigh syndrome (Leigh), which causes defects in basal ganglia and midbrain regions, psychomotor regression, lactic acidosis, and early death. We previously generated isogenic pairs of Leigh cerebral organoids and uncovered defects in neuromorphogenesis. Here, we leveraged on this disease feature to devise drug discovery pipelines. We developed a deep learning algorithm tailored for cell type-specific drug repurposing to identify drugs capable of promoting neuronal commitment. In parallel, we performed a survival drug screen in yeast and validated the repurposable hits on branching capacity in Leigh neurons. The two approaches independently highlighted azole compounds, Talarozole and Sertaconazole, both of which lowered lactate release and improved neurogenesis and neurite organization in Leigh midbrain organoids. Hence, targeting neuromorphogenesis has led to identify potential new drugs for mitochondrial disease and could prove an effective strategy for further drug discovery.