We determined that two mouse cryptochrome genes, mCry1 and mCry2, act in the negative limb of the clock feedback loop. In cell lines, mPER proteins (alone or in combination) have modest effects on their cellular location and ability to inhibit CLOCK:BMAL1 -mediated transcription. This suggested cryptochrome involvement in the negative limb of the feedback loop. Indeed, mCry1 and mCry2 RNA levels are reduced in the central and peripheral clocks of Clock/Clock mutant mice. mCRY1 and mCRY2 are nuclear proteins that interact with each of the mPER proteins, translocate each mPER protein from cytoplasm to nucleus, and are rhythmically expressed in the suprachiasmatic circadian clock. Luciferase reporter gene assays show that mCRY1 or mCRY2 alone abrogates CLOCK:BMAL1-E box-mediated transcription. The mPER and mCRY proteins appear to inhibit the transcriptional complex differentially.

We examined the transcriptional regulation of the clock-controlled arginine vasopressin gene in the suprachiasmatic nuclei (SCN). A core clock mechanism in mouse SCN appears to involve a transcriptional feedback loop in which CLOCK and BMAL1 are positive regulators and three mPeriod (mPer) genes are involved in negative feedback. We show that the RNA rhythm of each mPer gene is severely blunted in Clock/Clock mice. The vasopressin RNA rhythm is abolished in the SCN of Clock/Clock animals, leading to markedly decreased peptide levels. Luciferase reporter gene assays show that CLOCK-BMAL1 heterodimers act through an E box enhancer in the vasopressin gene to activate transcription; this activation can be inhibited by the mPER and mTIM proteins. These data indicate that the transcriptional machinery of the core clockwork directly regulates a clock-controlled output rhythm.

We have cloned and characterized the mouse cDNA of a third mammalian homolog of the Drosophila period gene and designated it mPer3. The mPER3 protein shows ∼37% amino acid identity with mPER1 and mPER2 proteins. The three mammalian PER proteins share several regions of sequence homology, and each contains a protein dimerization PAS domain. mPer3 RNA levels oscillate in the suprachiasmatic nuclei (SCN) and eyes. In the SCN, mPer3 RNA levels are not acutely altered by light exposure at different times during subjective night. This contrasts with the acute induction by light of mPer1 and mPer2 RNA levels during early and late subjective night. mPer3 is widely expressed in tissues outside of brain. In liver, skeletal muscle, and testis, mPer RNAs exhibit prominent, synchronous circadian oscillations. The results highlight the differential light responses among the three mammalian Per genes in the SCN and raise the possibility of circadian oscillators in mammals outside of brain and retina.

We have characterized a mammalian homolog of the Drosophila period gene and designated it Per2. The PER2 protein shows >40% amino acid identity to the protein of another mammalian per homolog (designated Per1) that was recently cloned and characterized. Both PER1 and PER2 proteins share several regions of homology with the Drosophila PER protein, including the protein dimerization PAS domain. Phylogenetic analysis supports the existence of a family of mammalian per genes. In the mouse, Per1 and Per2 RNA levels exhibit circadian rhythms in the SCN and eyes, sites of circadian clocks. Both Per1 and Per2 RNAs in the SCN are increased by light exposure during subjective night but not during subjective day. The results advance our knowledge of candidate clock elements in mammals.

In vertebrates, peripheral chemosensory neurons express large families of G protein-coupled receptors (GPCRs), reflecting the diversity and specificity of stimuli they detect. However, somatosensory neurons, which respond to chemical, thermal, or mechanical stimuli, are more broadly tuned. Here we describe a family of approximately 50 GPCRs related to Mas1, called mrgs, a subset of which is expressed in specific subpopulations of sensory neurons that detect painful stimuli. The expression patterns of mrgs thus reveal an unexpected degree of molecular diversity among nociceptive neurons. Some of these receptors can be specifically activated in heterologous cells by RFamide neuropeptides such as NPFF and NPAF, which are analgesic in vivo. Thus, mrgs may regulate nociceptor function and/or development, including the sensation or modulation of pain.

The brain receives sensory input from diverse peripheral tissues, including the skin, the body's largest sensory organ. Using genetically encoded axonal tracers expressed from the Mrgprd locus, we identify a subpopulation of nonpeptidergic, nociceptive neurons that project exclusively to the skin, and to no other peripheral tissue examined. Surprisingly, Mrgprd(+) innervation is restricted to the epidermis and absent from specialized sensory structures. Furthermore, Mrgprd(+) fibers terminate in a specific layer of the epidermis, the stratum granulosum. This termination zone is distinct from that innervated by most CGRP(+) neurons, revealing that peptidergic and nonpeptidergic epidermal innervation is spatially segregated. The central projections deriving from these distinct epidermal innervation zones terminate in adjacent laminae in the dorsal spinal cord. Thus, afferent input from different layers of the epidermis is conveyed by topographically segregated sensory circuits, suggesting that at least some aspects of sensory information processing may be organized along labeled lines.

Behavioral responses to painful stimuli require peripheral sensory neurons called nociceptors. Electrophysiological studies show that most C-fiber nociceptors are polymodal (i.e., respond to multiple noxious stimulus modalities, such as mechanical and thermal); nevertheless, these stimuli are perceived as distinct. Therefore, it is believed that discrimination among these modalities only occurs at spinal or supraspinal levels of processing. Here, we provide evidence to the contrary. Genetic ablation in adulthood of unmyelinated sensory neurons expressing the G protein-coupled receptor Mrgprd reduces behavioral sensitivity to noxious mechanical stimuli but not to heat or cold stimuli. Conversely, pharmacological ablation of the central branches of TRPV1 + nociceptors, which constitute a nonoverlapping population, selectively abolishes noxious heat pain sensitivity. Combined elimination of both populations yielded an additive phenotype with no additional behavioral deficits, ruling out a redundant contribution of these populations to heat and mechanical pain sensitivity. This double-dissociation suggests that the brain can distinguish different noxious stimulus modalities from the earliest stages of sensory processing.

Topoisomerases are expressed throughout the developing and adult brain and are mutated in some individuals with autism spectrum disorder (ASD). However, how topoisomerases are mechanistically connected to ASD is unknown. Here we find that topotecan, a topoisomerase 1 (TOP1) inhibitor, dose-dependently reduces the expression of extremely long genes in mouse and human neurons, including nearly all genes that are longer than 200 kilobases. Expression of long genes is also reduced after knockdown of Top1 or Top2b in neurons, highlighting that both enzymes are required for full expression of long genes. By mapping RNA polymerase II density genome-wide in neurons, we found that this length-dependent effect on gene expression was due to impaired transcription elongation. Interestingly, many high-confidence ASD candidate genes are exceptionally long and were reduced in expression after TOP1 inhibition. Our findings suggest that chemicals and genetic mutations that impair topoisomerases could commonly contribute to ASD and other neurodevelopmental disorders. Reducing topoisomerase activity in mouse and human neurons is found to reduce the expression of long genes by impairing transcription elongation: among genes affected are numerous high-confidence candidates for autism spectrum disorder. Topoisomerases, enzymes involved in DNA winding, are expressed throughout the brain, and mutations have been discovered in some individuals with autism spectrum disorders (ASD). Mark Zylka and colleagues show that reducing topoisomerase activity selectively reduces the expression of long genes in mouse and human neurons by impairing transcription elongation. The authors note that many ASD candidate genes, including Cntnap2, Nrxn1 and Cntn4, are exceptionally long and confirm that expression of several ASD candidate genes is reduced by topoisomerase inhibition. These findings suggest that chemicals and genetic mutations that impair topoisomerases — and possibly other components of the transcription machinery — could contribute to ASD and other neurodevelopmental disorders.

Cancer drugs that can potentially treat Angelman syndrome are identified. Genomic imprinting disorders arise owing to a loss of function of non-imprinted alleles expressed from one parent. In Angelman syndrome, a neurodevelopmental disorder caused by dysfunction of the maternal allele of the Ube3a gene, the paternal allele remains intact but is epigenetically silenced. Benjamin Philpot and colleagues perform an unbiased drug screen on mouse cortical neurons expressing fluorescent Ube3a and identify topoisomerase inhibitors that are capable of activating paternal Ube3a, including topotecan, a cancer therapeutic approved by the US Food and Drug Administration. When the drug is delivered in vivo, paternal Ube3a is activated in multiple regions of the brain, and effects persist for several weeks after drug cessation. This demonstrates a potential method for reactivating dormant alleles of imprinted genes, which may be a therapeutic strategy in disorders such as Angelman syndrome. Angelman syndrome is a severe neurodevelopmental disorder caused by deletion or mutation of the maternal allele of the ubiquitin protein ligase E3A (UBE3A)1,2,3. In neurons, the paternal allele of UBE3A is intact but epigenetically silenced4,5,6, raising the possibility that Angelman syndrome could be treated by activating this silenced allele to restore functional UBE3A protein7,8. Using an unbiased, high-content screen in primary cortical neurons from mice, we identify twelve topoisomerase I inhibitors and four topoisomerase II inhibitors that unsilence the paternal Ube3a allele. These drugs included topotecan, irinotecan, etoposide and dexrazoxane (ICRF-187). At nanomolar concentrations, topotecan upregulated catalytically active UBE3A in neurons from maternal Ube3a-null mice. Topotecan concomitantly downregulated expression of the Ube3a antisense transcript that overlaps the paternal copy of Ube3a9,10,11. These results indicate that topotecan unsilences Ube3a in cis by reducing transcription of an imprinted antisense RNA. When administered in vivo, topotecan unsilenced the paternal Ube3a allele in several regions of the nervous system, including neurons in the hippocampus, neocortex, striatum, cerebellum and spinal cord. Paternal expression of Ube3a remained elevated in a subset of spinal cord neurons for at least 12 weeks after cessation of topotecan treatment, indicating that transient topoisomerase inhibition can have enduring effects on gene expression. Although potential off-target effects remain to be investigated, our findings suggest a therapeutic strategy for reactivating the functional but dormant allele of Ube3a in patients with Angelman syndrome.

With the increased use of small self-complementary adeno-associated viral (AAV) vectors, the design of compact promoters becomes critical for packaging and expressing larger transgenes under ubiquitous or cell-specific control. In a comparative study of commonly used 800-bp cytomegalovirus (CMV) and chicken β-actin (CBA) promoters, we report significant differences in the patterns of cell-specific gene expression in the central and peripheral nervous systems. The CMV promoter provides high initial neural expression that diminishes over time. The CBA promoter displayed mostly ubiquitous and high neural expression, but substantially lower expression in motor neurons (MNs). We report the creation of a novel hybrid form of the CBA promoter (CBh) that provides robust long-term expression in all cells observed with CMV or CBA, including MNs. To develop a short neuronal promoter to package larger transgenes into AAV vectors, we also found that a 229-bp fragment of the mouse methyl-CpG-binding protein-2 (MeCP2) promoter was able to drive neuron-specific expression within the CNS. Thus the 800-bp CBh promoter provides strong, long-term, and ubiquitous CNS expression whereas the MeCP2 promoter allows an extra 570-bp packaging capacity, with low and mostly neuronal expression within the CNS, similar to the MeCP2 transcription factor. The authors report the creation of a novel hybrid form of the CBA promoter (CBh) that provides robust long-term expression in all cells observed with CMV or CBA, including motor neurons. Additionally, the group developed a short, 229-bp neuronal promoter derived from the MeCP2 transcription factor. This promoter allows for an extra 570-bp in packaging capacity and provides low and neuronal-specific expression within the CNS.