Hydrogen sulfide (H2S) is a multifunctional signaling molecule that exerts neuroprotective effects in oxidative stress. In this article, we report a mitochondria-localized two-photon probe, SHS-M2, that can be excited by 750 nm femtosecond pulses and employed for ratiometric detection of H2S in live astrocytes and living brain slices using two-photon microscopy (TPM). SHS-M2 shows bright two-photon-excited fluorescence and a marked change in emission color from blue to yellow in response to H2S, low cytotoxicity, easy loading, and minimum interference from other biologically relevant species including reactive sulfur, oxygen, and nitrogen species, thereby allowing quantitative analysis of H2S levels. Molecular TPM imaging with SHS-M2 in astrocytes revealed that there is a correlation between the ratiometric analysis and expression levels of cystathionine β-synthase (CBS), the major enzyme that catalyzes H2S production. In studies involving DJ-1, a Parkinson's disease (PD) gene, attenuated H2S production in comparison with wild-type controls was observed in DJ-1-knockout astrocytes and brain slices, where CBS expression was decreased. These findings demonstrate that reduced H2S levels in astrocytes may contribute to the development of PD and that SHS-M2 may be useful as a marker to detect a risk of neurodegenerative diseases, including PD.

Abstract Despite advances in molecular profiling, therapeutic development has been hindered by the inability to identify and target tumour-specific mechanisms without consequence to healthy tissue. Correspondingly, a computational framework capable of accurately distinguishing tumour from non-tumour cells has yet to be developed and cell annotation algorithms are unable to assign integrated genomic and transcriptional profiles to single cells on a cell-by-cell basis. To address these barriers, we developed the Single Cell Rule Association Mining (SCRAM) tool that integrates RNA-inferred genomic alterations with co-occurring cell type signatures for individual cells. Applying SCRAM to glioma, we identified tumour cell trajectories recapitulate temporally-restricted developmental paradigms and feature unique co-occurring identities. Specifically, we validated two previously unreported tumour cell populations with immune and neuronal signatures as hallmarks of human glioma subtypes. In vivo modeling revealed a rare immune-like tumour cell population resembling antigen presenting cells can direct CD8+ T cell responses. In parallel, Patch sequencing studies in human tumours confirmed that neuronal-like glioma cells fire action potentials and represent 40% of IDH1 mutant tumor cells. These studies identified new glioma cell types with functional properties similar to their non-tumour analogues and demonstrate the ability of SCRAM to identify these cell types in unprecedented detail.

Abstract The tumor microenvironment (TME) plays an essential role in malignancy and neurons have emerged as a key component of the TME that promotes tumorigenesis across a host of cancers. Recent studies on glioblastoma (GBM) highlight bi-directional signaling between tumors and neurons that propagates a vicious cycle of proliferation, synaptic integration, and brain hyperactivity; however, the identity of neuronal subtypes and tumor subpopulations driving this phenomenon are incompletely understood. Here we show that callosal projection neurons located in the hemisphere contralateral to primary GBM tumors promote progression and widespread infiltration. Using this platform to examine GBM infiltration, we identified an activity dependent infiltrating population present at the leading edge of mouse and human tumors that is enriched for axon guidance genes. High-throughput, in vivo screening of these genes identified Sema4F as a key regulator of tumorigenesis and activity-dependent infiltration. Furthermore, Sema4F promotes the activity-dependent infiltrating population and propagates bi-directional signaling with neurons by remodeling tumor adjacent synapses towards brain network hyperactivity. Collectively, our studies demonstrate that subsets of neurons in locations remote to primary GBM promote malignant progression, while revealing new mechanisms of tumor infiltration that are regulated by neuronal activity.

Neuronal activity drives global alterations in gene expression within neurons, yet how it directs transcriptional and epigenomic changes in neighboring astrocytes in functioning circuits is unknown. Here we show that neuronal activity induces widespread transcriptional upregulation and downregulation in astrocytes, highlighted by the identification of a neuromodulator transporter Slc22a3 as an activity-inducible astrocyte gene regulating sensory processing in the olfactory bulb. Loss of astrocytic Slc22a3 reduces serotonin levels in astrocytes, leading to alterations in histone serotonylation. Inhibition of histone serotonylation in astrocytes reduces expression of GABA biosynthetic genes and GABA release, culminating in olfactory deficits. Our study reveals that neuronal activity orchestrates transcriptional and epigenomic responses in astrocytes, while illustrating new mechanisms for how astrocytes process neuromodulatory input to gate neurotransmitter release for sensory processing.