Histone proteins affect gene expression through multiple mechanisms, including through exchange with histone variants. Recent findings link histone variants to neurological disorders, yet few are well studied in the brain. Most notably, widely expressed variants of H2B remain elusive. We applied recently developed antibodies, biochemical assays, and sequencing approaches to reveal broad expression of the H2B variant H2BE and defined its role in regulating chromatin structure, neuronal transcription, and mouse behavior. We find that H2BE is enriched at promoters, and a single unique amino acid allows it to dramatically enhance chromatin accessibility. Further, we show that H2BE is critical for synaptic gene expression and long-term memory. Together, these data reveal a mechanism linking histone variants to chromatin accessibility, transcriptional regulation, neuronal function, and memory. This work further identifies a widely expressed H2B variant and uncovers a single histone amino acid with profound effects on genomic structure.

SUMMARY Regulation of histone proteins affects gene expression through multiple mechanisms including exchange with histone variants. However, widely expressed variants of H2B remain elusive. Recent findings link histone variants to neurological disorders, yet few are well studied in the brain. We applied new tools including novel antibodies, biochemical assays, and sequencing approaches to reveal broad expression of the H2B variant H2BE, and defined its role in regulating chromatin structure, neuronal transcription, and mouse behavior. We find that H2BE is enriched at promoters and a single unique amino acid allows it to dramatically enhance chromatin accessibility. Lastly, we show that H2BE is critical for synaptic gene expression and long-term memory. Together, these data reveal a novel mechanism linking histone variants to chromatin regulation, neuronal function, and memory. This work further identifies the first widely expressed H2B variant and uncovers a single histone amino acid with profound effects on genomic structure.

ABSTRACT Astrocytes are emerging as key regulators of neuronal synaptic network maturation and function, through control of synaptic pruning. This is important, because individuals with ASD have excess glutamatergic synapses in the cortex, but the biological mechanisms underlying this phenotype remain unclear. Here, we used human cortical organoids (hCO) derived from induced pluripotent stem cells (hiPSCs), to examine the effect of hypoxia on synapse engulfment in human astrocytes at postnatal-equivalent stages of development. We identified that hypoxia significantly inhibits the synaptosome phagocytosis, and that this phenotype is mediated through disruptions in the astrocytic circadian rhythm molecular pathway and subsequent decreased expression of MEGF10. Lastly, we demonstrated that circadian clock disruptions are sufficient to induce these observed phenotypes even in the absence of hypoxia, both in hCOs and within the mouse hippocampus in vivo . Our study uncovers a novel mechanistic link between hypoxia, circadian rhythms disruptions, and synapse pruning by astrocytes, and provides insight into the pathophysiology of ASD, and other neuropsychiatric diseases. Separately, the demonstration of the presence of circadian rhythms in hCOs opens an unprecedented opportunity to dissect the role of circadian clocks in normal brain development and how it contributes to specific diseases of environmental or genetic origin.