ABSTRACT Forebrain dopaminoceptive neurons play a key role in movement, action selection, motivation, and working memory. Their activity is dysregulated in addiction, Parkinson’s disease and other conditions. To characterize the diverse dopamine target neuronal populations, we compare translating mRNAs in neurons of dorsal striatum and nucleus accumbens expressing D1 or D2 dopamine receptor and prefrontal cortex expressing D1 receptor. We identify D1/D2 and striatal dorso-ventral differences in the translational and splicing landscapes, which establish the characteristics of dopaminoceptive neurons. Expression differences and network analyses identify novel transcription factors with presumptive roles in these differences. Prostaglandin E2 appears as a candidate upstream regulator in the dorsal striatum, a hypothesis supported by converging functional evidence indicating its role in enhancing D2 dopamine receptor action. Our study provides powerful resources for characterizing dopamine target neurons, new information about striatal gene expression patterns, and reveals the unforeseen role of prostaglandin E2 in the dorsal striatum.

Abstract Autotrophy is the basis for complex life on Earth. Central to this process is rubisco - the enzyme that catalyzes almost all carbon fixation on the planet. Yet, with only a small fraction of rubisco diversity kinetically characterized so far, the underlying biological factors driving the evolution of fast rubiscos in nature remain unclear. We conducted a high-throughput kinetic characterization of over 100 bacterial form I rubiscos, the most ubiquitous group of rubisco sequences in nature, to uncover the determinants of rubisco’s carboxylation velocity. We show that the presence of a carboxysome CO 2 concentrating mechanism correlates with faster rubiscos with a median 5-fold higher rate. In contrast to prior studies, we find that rubiscos originating from α-cyanobacteria exhibit the highest carboxylation rates among form I enzymes (≈10 s -1 median versus <7 s -1 in other groups). Our study systematically reveals biological and environmental properties associated with kinetic variation across rubiscos from nature.

Highly palatable food triggers behavioral alterations reminiscent of those induced by addictive drugs. These effects involve the reward system and dopamine neurons, which modulate neurons in the nucleus accumbens (NAc). The molecular mechanisms underlying the effects of highly palatable food on feeding behavior are poorly understood.We studied the effects of 2-week operant conditioning of mice with standard or isocaloric highly palatable food. We investigated the behavioral effects and dendritic spine modifications in the NAc. We compared the translating mRNA in NAc neurons identified by the type of dopamine receptors they express, depending on the type of food and training. We tested the consequences of invalidation of an abundant downregulated gene, Ncdn (Neurochondrin).Operant conditioning for highly palatable food increases motivation for food even in well-fed mice. In control mice, free access to regular or highly palatable food results in increased weight as compared to regular food only. Highly palatable food increases spine density in the NAc. In animals trained for highly palatable food, translating mRNAs are modified in NAc dopamine D2-receptor-expressing neurons, mostly corresponding to striatal projection neurons, but not in those expressing D1-receptors. Knock-out of Ncdn, an abundant down-regulated gene, opposes the conditioning-induced changes in satiety-sensitive feeding behavior and apparent motivation for highly palatable food, suggesting down-regulation may be a compensatory mechanism.Our results emphasize the importance of mRNA alterations D2 striatal projection neurons in the NAc in the behavioral consequences of highly palatable food conditioning and suggest a modulatory contribution of Ncdn downregulation.

Huntington disease (HD) is a devastating disease due to autosomal dominant mutation in the HTT gene. Its pathophysiology involves multiple molecular alterations including transcriptional defects. We previously showed that in HD patients and mouse model, the protein levels of the non-receptor tyrosine kinase PYK2 were decreased in the hippocampus and that viral expression of PYK2 improved the hippocampal phenotype. Here, we investigated the possible contribution of PYK2 in the striatum, a major brain region altered in HD. PYK2 mRNA levels were decreased in the striatum and hippocampus of R6/2 mice, a severe HD model. PYK2 protein levels were also decreased in the dorsal striatum of R6/2 mice and in the putamen of human patients. PYK2 knockout by itself did not result in motor symptoms observed in HD mouse models. Yet, we examined whether PYK2 deficiency participated in the R6/2 mice phenotype by expressing PYK2 in the dorsal striatum using AAV vectors. With an AAV1/Camk2a promoter, we did not observe significant improvement of body weight, clasping, motor activity and coordination (rotarod) alterations observed in R6/2 mice. With an AAV9/SYN1 promoter we found an improvement of body weight loss and a tendency to better rotarod performance. DARPP-32 immunofluorescence was increased following AAV9/SYN1-PYK2 injection compared to AAV9/SYN1-GFP, suggesting a possible partial beneficial effect on striatal projection neurons. We conclude that PYK2 mRNA and protein levels are decreased in the striatum as in hippocampus of HD patients and mouse models. However, in contrast to hippocampus, striatal viral expression of PYK2 has only a slight effect on the R6/2 model striatal motor phenotype.

Abstract Pyk2 is a Ca 2+ -activated non-receptor tyrosine kinase enriched in the forebrain, especially in pyramidal neurons of the hippocampus. Previous reports suggested its role in hippocampal synaptic plasticity and spatial memory but with contradictory findings possibly due to experimental conditions. Here we address this issue and show that novel object location, a simple test of spatial memory induced by a single training session, is altered in Pyk2 KO mice and that re-expression of Pyk2 in the dorsal hippocampus corrects this deficit. Bilateral targeted deletion of Pyk2 in dorsal hippocampus CA1 region also alters novel object location. Long term potentiation (LTP) in CA1 is impaired in Pyk2 KO mice using a high frequency stimulation induction protocol nut not with a theta burst protocol, explaining differences between previous reports. The same selective LTP alteration is observed in mice with Pyk2 deletion in dorsal hippocampus CA1 region. Thus, our results establish the role of Pyk2 in specific aspects of spatial memory and synaptic plasticity and show the dependence of the phenotype on the type of experiments used to reveal it. In combination with other studies they provide evidence for a selective role of non-receptor tyrosine kinases in specific aspects of hippocampal neurons synaptic plasticity.

Abstract Synthetic autotrophy is a promising avenue to sustainable bioproduction from CO 2 . Here, we use iterative laboratory evolution to generate genetically diverse autotrophic strains. We identify that just three mutations are sufficient for E. coli to grow autotrophically, when introduced alongside non-native energy (formate dehydrogenase) and carbon-fixing (Rubisco, phosphoribulokinase, carbonic anhydrase) modules. The mutated genes are involved in glycolysis ( pgi ), central-carbon regulation ( crp ), and RNA transcription ( rpoB ). The pgi mutation reduces the enzyme activity, thereby stabilising the carbon-fixing cycle by capping a major branching flux. The other two mutations increase the ratio of NADH/NAD + - the cycle’s electron-donor. This study demonstrates the malleability of metabolism and evolution’s capacity to switch trophic modes on laboratory time-scales and could facilitate transforming other heterotrophic organisms into autotrophs.

Autotrophy is the basis for complex life on Earth. Central to this process is rubisco-the enzyme that catalyzes almost all carbon fixation on the planet. Yet, with only a small fraction of rubisco diversity kinetically characterized so far, the underlying biological factors driving the evolution of fast rubiscos in nature remain unclear. We conducted a high-throughput kinetic characterization of over 100 bacterial form I rubiscos, the most ubiquitous group of rubisco sequences in nature, to uncover the determinants of rubisco's carboxylation velocity. We show that the presence of a carboxysome CO

The striatum is a critical brain region for locomotor response to cocaine. Although the D1 receptor-expressing neurons are centrally involved in mediating the locomotor effects of cocaine, the molecular pathways controlling this response are not fully understood. Here we studied the role of Pyk2, a non-receptor calcium-dependent protein-tyrosine kinase, in striatum-related functions. We discovered that cocaine injection increases Pyk2 phosphorylation in the striatum of mice in vivo. Pyk2-deficient mice displayed an altered locomotor response to acute cocaine injection. In contrast, they developed normal locomotor sensitization and cocaine-conditioned place preference. Accordingly, a cocaine-activated signaling pathway essential for these late responses, ERK phosphorylation, was not altered. Specific deletion of Pyk2 in the nucleus accumbens or in D1 neurons reproduced this phenotype, whereas deletion of Pyk2 in the dorsal striatum or in A2A receptor-expressing neurons did not. Mice lacking Pyk2 in D1-neurons also displayed lower locomotor response to the D1 receptor agonist SKF-81297 but not to an anticholinergic drug. Our results identify Pyk2 as a regulator of acute locomotor responses to psychostimulants and suggest that changes in Pyk2 expression or activation may alter specific responses to drugs of abuse, or possibly other behavioral responses linked to dopamine action.

The enzyme rubisco catalyzes the first step of carbon assimilation in photosynthesis. Despite the massive flux of CO2 passing through this active site over billions of years, extant rubisco has relatively slow kinetics and is prone to off-target activity. In many growth regimes, this limits photosynthesis in planta. Many attempts have been made to improve the kinetic parameters of rubisco with limited success, potentially due to biochemical trade-offs. To understand the structural basis of constraints on rubisco, a comprehensive map of rubisco at the individual amino-acid level is needed. To that end we performed a deep mutational scan using a rubisco-dependent E. coli strain. By titrating CO2 concentrations it was possible to determine estimations for both catalytic rate (kcat) and substrate affinity (KM) of >99% of rubisco point mutants. Some positions were found to act as "rheostats" where some amino-acid substitutions reduced - while others improved - affinity for CO2. No individual point mutation was found to substantially improve the catalytic rate, but a number of highly phylogenetically conserved positions were found to tolerate mutations, indicating that a large portion of rubisco9s sequence space remains unexplored by nature and may serve as a resource for future protein engineering efforts. Together, these biochemical measurements inform our understanding of biochemical tradeoffs and will assist in future efforts to improve rubisco catalytic properties.