Abstract After acute brain injuries various response cascades are evoked that direct the formation of the glial scar. Here, we report that acute lesions associated with a disruption of the blood-brain barrier trigger a re-programming within the oligodendrocyte lineage. In PLP-DsRed1/GFAP-EGFP and PLP-EGFP mem /GFAP-mRFP1 transgenic mice with cortical injuries, we transiently found PLP transgene-labelled cells with activated GFAP promoter activity adjacent to the lesion site. We termed them AO cells, based on their concomitant activity of a stro- and o ligodendroglial genes. By fate mapping using PLP- and GFAP-split Cre complementation and NG2-CreER T2 mice we observed that major portions of AO cells surprisingly differentiated into astrocytes. Using repeated long-term in vivo two-photon laser-scanning microscopy (2P-LSM) we followed oligodendrocytes after injury. We observed their conversion into astrocytes via the AO cell stage with silencing of the PLP promoter and simultaneous activation of the GFAP promoter. In addition, we provide evidence that this oligodendrocyte-to-astrocyte conversion depends on local cues. At the lesion site higher expression levels of various glial differentiation factors were detected. And indeed, local injection of IL-6 promoted the formation of AO cells. In summary, our findings highlight the plastic potential of oligodendrocytes in acute brain trauma. An altered environmental milieu affects gene expression programs of mature oligodendrocytes and induces a plastic differentiation stage with astrogliogenic potential via transitional AO cells.

Abstract Molecular pathways mediating systemic inflammation entering the brain parenchyma to induce sepsis-associated encephalopathy (SAE) remain elusive. Here, we report that in mice during the first 6 hours of peripheral lipopolysaccharide (LPS)-evoked systemic inflammation (6 hpi), the plasma level of adenosine quickly increased and enhanced the tone of central extracellular adenosine which then provoked neuroinflammation by triggering early astrocyte reactivity. Specific ablation of astrocytic Gi protein-coupled A1 adenosine receptors (A1ARs) prevented this early reactivity and reduced the levels of inflammatory factors (e.g., CCL2, CCL5, and CXCL1) in astrocytes, thereby alleviating microglial reaction, ameliorating blood-brain barrier disruption, peripheral immune cell infiltration, neuronal dysfunction, and depression-like behaviour in the mice. Chemogenetic stimulation of Gi signaling in A1AR-deficent astrocytes at 2 and 4 hpi of LPS injection could restore neuroinflammation and depression-like behaviour, highlighting astrocytes rather than microglia as early drivers of neuroinflammation. Our results identify early astrocyte reactivity towards peripheral and central levels of adenosine as an important pathway driving SAE and highlight the potential of targeting A1ARs for therapeutic intervention.

Abstract Cortical neural circuits are complex but very precise networks of balanced excitation and inhibition (E/I). Yet, the molecular and cellular mechanisms that form the E/I balance are just beginning to emerge. Here, using conditional GABA B receptor-deficient mice we identified a GABA/TNF-related cytokine (TNFSF12)-mediated bidirectional communication pathway between Parvalbumin-positive (PV + ) fast spiking interneurons and oligodendrocyte precursor cells (OPCs) that determines the density and function of interneurons in the developing medial prefrontal cortex (mPFC). Interruption of the GABAergic signaling to OPCs resulted in reduced myelination and hypoactivity of interneurons, strong changes of cortical network activities and impaired cognitive behavior. In conclusion, glial transmitter receptors are pivotal elements in finetuning distinct brain functions.

Abstract Dorsal root ganglia (DRG) neurons have been well described for their role in driving both acute and pain. Although nerve injury is known to cause transcriptional dysregulation, how this differs across neuronal subtypes and the impact of sex is unclear. Here, we study the deep transcriptional profiles of multiple murine DRG populations in early and late pain states while considering sex. We have exploited currently available transgenics to label numerous subpopulations for fluorescent activated cell sorting (FACS) and subsequent transcriptomic analysis. Using bulk tissue samples, we are able to circumvent the issues of low transcript coverage and drop-outs seen with single cell datasets. This increases our power to detect novel and even subtle changes in gene expression within neuronal subtypes and discuss sexual dimorphism at the neuronal subtype level. We have curated this resource into an accessible database for other researchers ( https://livedataoxford.shinyapps.io/drg-directory/ ). We see both stereotyped and unique subtype signatures in injured states after nerve injury at both an early and late timepoint. While all populations contribute to a general injury signature, subtype enrichment changes can also be seen. Within populations, there is not a strong intersection of sex and injury, but previously unknown sex differences in naïve states-particularly in A β -RA + A δ -LTMRs - still contribute to differences in injured neurons.

Abstract Oligodendrocyte precursor cells (OPCs) shape brain function through intricate regulatory mechanisms. Here, we observed that OPC processes establish connections with neuronal somata, with smaller lysosomes positioned near these contact sites. Tracking lysosomes demonstrated neuronal lysosomes were attracted to and released at these contact points, eventually becoming incorporated into OPC processes, suggesting a selective, OPC-evoked release of lysosomes from neuronal soma and their ingestion by OPCs, highlighting a unique lysosome-mediated communication between neurons and OPCs. Diminished branching of OPC processes resulted in fewer neuron-OPC contacts, fostering larger lysosome accumulation in neurons, altered neuronal activity and escalated prevalence of senescent neurons during aging. A similar reduction in OPC branching and neuronal lysosome accumulation was evident in an early-stage Alzheimer’s disease mouse model. Together, these findings underscore the pivotal role of OPC processes in modulating neuronal activity through direct somatic contact and lysosome ingestion, presenting a prospective therapeutic avenue for addressing neurodegenerative diseases.

Abstract Tracheal tuft cells shape immune responses in the airways. While some of these effects have been attributed to differential release of either acetylcholine, leukotriene C4 and/or interleukin-25 depending on the activating stimuli, tuft cell-dependent mechanisms underlying the recruitment and activation of immune cells are incompletely understood. Here we show that Pseudomonas aeruginosa infection activates mouse tuft cells, which release ATP via pannexin 1 channels. Taste signaling through the Trpm5 channel is essential for bacterial tuft cell activation and ATP release. We demonstrate that activated tuft cells recruit dendritic cells to the trachea and lung. ATP released by tuft cells initiates dendritic cell activation, phagocytosis and migration. Tuft cell stimulation also involves an adaptive immune response through recruitment of IL-17A secreting T helper cells. Collectively, the results provide a molecular framework defining tuft cell dependent regulation of both innate and adaptive immune responses in the airways to combat bacterial infection.

Abstract In chemical synapses undergoing high frequency stimulation, vesicle components can be retrieved from the plasma membrane via a clathrin-independent process called activity dependent bulk endocytosis (ADBE). Alix (ALG-2 interacting protein X)/ PDCD6IP) is an adaptor protein binding to ESCRT and endophilin-A proteins which is required for clathrin-independent endocytosis in fibroblasts. Alix is expressed in neurons and concentrates at synapses during epileptic seizures. Here, we used cultured neurons to show that Alix is recruited to presynapses where it interacts with, and concentrates endophilin-A during conditions triggering ADBE. Using Alix knockout (ko) neurons we showed that this recruitment, which requires interaction with the calcium-binding protein ALG-2, is necessary for ABDE. We also found that presynaptic compartments of Alix ko hippocampi display subtle morphological defects compatible with flawed synaptic activity and plasticity detected electrophysiologically. Furthermore, mice lacking Alix in the forebrain undergo less seizures during kainate-induced status epilepticus and reduced propagation of the epileptiform activity. These results thus show that impairment of ADBE due to the lack of neuronal Alix alters synaptic recovery during physiological or pathological repeated stimulations.

Summary Molecular pathways mediating systemic inflammation entering the brain parenchyma to induce sepsis-associated encephalopathy (SAE) remain elusive. Here, we report that in mice during the first 6 hours of peripheral lipopolysaccharide (LPS)-evoked systemic inflammation (6 hpi), the plasma level of adenosine quickly increased and enhanced the tone of central extracellular adenosine which then provoked neuroinflammation by triggering early astrocyte reactivity. Specific ablation of astrocytic A1 adenosine receptors (A1ARs) prevented this early reactivity and reduced the levels of inflammatory factors (e.g., CCL2, CCL5, and CXCL1) in astrocytes, thereby alleviating microglial activation, ameliorating blood-brain barrier disruption, neuronal dysfunction, and depression-like behaviour in the mice. Chemogenetic stimulation of Gi signaling in A1AR-deficent astrocytes at 2 and 4 hpi of LPS injection could restore neuroinflammation and depression-like behaviour, highlighting astrocytes rather than microglia as early drivers of neuroinflammation. Our results identify early astrocyte reactivity towards peripheral and central levels of adenosine as a novel pathway driving SAE.

Abstract Accurate identification of pain-related genes remains challenging due to the complex nature of pain pathophysiology and the subjective nature of pain reporting in humans, or inferring pain states in animals on the basis of behaviour. Here, we use a machine learning approach to identify possible “pain genes”. Labelling was based on a gold-standard list of genes with validated involvement across pain conditions, and was trained on a selection of -omics (eg. transcriptomics, proteomics, etc.), protein-protein interaction (PPI) network features, and biological function readouts for each gene. Multiple classifiers were trained, and the top-performing model was selected to predict a “pain score” per gene. The top ranked genes were then validated against pain-related human SNPs to validate against human genetics studies. Functional analysis revealed JAK2/STAT3 signal, ErbB, and Rap1 signalling pathways as promising targets for further exploration, while network topological features contribute significantly to the identification of “pain” genes. As such, a PPI network based on top-ranked genes was constructed to reveal previously uncharacterised pain-related genes including CHRFAM7A and UNC79. These analyses can be further explored using the linked open-source database at https://livedataoxford.shinyapps.io/drg-directory/ , which is accompanied by a freely accessible code template and user guide for wider adoption across disciplines. Together, the novel insights into pain pathogenesis can indicate promising directions for future experimental research.