Abstract Narcolepsy with cataplexy is a chronic sleep disorder characterized by hypocretin deficiency. The condition is believed to result from autoimmune destruction of hypocretin (HCRT) neurons, although direct evidence is lacking and mere Hcrt gene inactivation causes full-blown narcolepsy in mice. Here we show that the expression of another hypothalamic neuropeptide, QRFP, is lost in mouse models with HCRT cell-ablation, but tends to be even increased in Hcrt gene knockout mice, suggesting that QRFP expression can be used as a proxy for the presence or absence of HCRT neurons. Similar to Hcrt knockout mice, narcolepsy patients show intact hypothalamic QRFP expression, and cerebrospinal fluid levels of QRFP peptide are increased, suggesting their HCRT neurons are intact. We show that the human HCRT gene promoter is methylation-sensitive in vitro , and is hypermethylated in the hypothalamus of patients selectively at a putative PAX5:ETS1 binding site within the proximal HCRT promoter. Ets1-KO mice display downregulated Hcrt expression, while pax5-ets1 knockdown in zebrafish causes decreased hcrt expression, decreased activity and sleep fragmentation, similar to narcolepsy patients. Our results suggest that HCRT neurons are alive, but epigenetically silenced, in the hypothalamus of narcolepsy patients, opening the possibility to reverse or cure narcolepsy.

Summary Brain resident macrophages such as microglia and CNS-associated macrophages (CAMs) are already established before birth and play therefore a crucial role for normal brain functioning during development. However, their involvement in fine-tuning complex physiological functions such as vigilance states (VS) after birth remains poorly understood. Here, we investigated the reciprocal interaction of microglia and VS using multimodal high throughput transcriptional, electrophysiological and metabolomic profiling in mice. We found that sleep deprivation caused severe transcriptional changes in microglia and CAMs and absence of the wake-promoting neuropeptides hypocretin/orexin intensified these effects. Depletion of embryonic microglia robustly increased sleep quantity during the active period, while decreased sleep quality that was reflected in reduced power of brain sleep oscillations. Unexpectedly, subsequent repopulation by postnatal microglia failed to reestablish normal sleep-wake patterns, and even induced additional abnormalities such as sleep fragmentation. Moreover, we found a substantial excitatory-inhibitory synaptic imbalance following microglia depletion, which was not normalized after microglial repopulation and even lead to an increase of inhibitory synapses in the brain. At the metabolite level, we observed a distinct metabolite pattern after microglia depletion, which largely returned to normal levels after repopulation. Our findings suggest a so far largely unknown interaction between microglia and brain VS and emphasizes striking functional differences between embryonic and postnatal-derived microglia, thereby potentially paving the way for the further exploration of microglia of different origin and their roles in sleep disorders and synaptic connectivity.