SUMMARY Down syndrome (DS) is a common neurodevelopmental disorder, and cognitive defects in DS patients may arise form imbalances in excitatory and inhibitory neurotransmission. Understanding the mechanisms underlying such imbalances may provide opportunities for therapeutic intervention. Here, we show that human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) derived from DS patients overproduce OLIG2 + ventral forebrain neural progenitors. As a result, DS hiPSC-derived cerebral organoids excessively produce specific subclasses of GABAergic interneurons and cause impaired recognition memory in neuronal chimeric mice. Increased OLIG2 expression in DS cells directly upregulates interneuron lineage-determining transcription factors. shRNA-mediated knockdown of OLIG2 largely reverses abnormal gene expression in early-stage DS neural progenitors, reduces interneuron production in DS organoids and chimeric mouse brains, and improves behavioral deficits in DS chimeric mice. Thus, altered OLIG2 expression may underlie neurodevelopmental abnormalities and cognitive defects in DS patients.

Brain development is highly dynamic and asynchronous, marked by the sequential maturation of functional circuits across the brain. The timing and mechanisms driving circuit maturation remain elusive due to an inability to identify and map maturing neuronal populations. Here we create DevATLAS (Developmental Activation Timing-based Longitudinal Acquisition System) to overcome this obstacle. We develop whole-brain mapping methods to construct the first longitudinal, spatiotemporal map of circuit maturation in early postnatal mouse brains. Moreover, we uncover dramatic impairments within the deep cortical layers in a neurodevelopmental disorders (NDDs) model, demonstrating the utility of this resource to pinpoint when and where circuit maturation is disrupted. Using DevATLAS, we reveal that early experiences accelerate the development of hippocampus-dependent learning by increasing the synaptically mature granule cell population in the dentate gyrus. Finally, DevATLAS enables the discovery of molecular mechanisms driving activity-dependent circuit maturation.

Eight separate mutations in the actin-binding protein profilin-1 have been identified as a rare cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Profilin is essential for many neuronal cell processes through its regulation of lipids, nuclear signals, and cytoskeletal dynamics, including actin filament assembly. Direct interactions between profilin and actin monomers inhibit actin filament polymerization. In contrast, profilin can also stimulate polymerization by simultaneously binding actin monomers and proline-rich tracts found in other proteins. Whether the ALS-associated mutations in profilin compromise these actin assembly functions is unclear. We performed a quantitative biochemical comparison of the direct and formin-mediated impact for the eight ALS-associated profilin variants on actin assembly using classic protein-binding and single-filament microscopy assays. We determined that the binding constant of each profilin for actin monomers generally correlates with the actin nucleation strength associated with each ALS-related profilin. In the presence of formin, the A20T, R136W, Q139L, and C71G variants failed to activate the elongation phase of actin assembly. This diverse range of formin-activities is not fully explained through profilin-PLP interactions, as all ALS-associated variants bind a formin-derived PLP peptide with similar affinities. However, chemical denaturation experiments suggest that the folding stability of these profilins impact some of these effects on actin assembly. Thus, changes in profilin protein stability and alterations in actin filament polymerization may both contribute to the profilin-mediated actin disruptions in ALS.