Postsynaptic differentiation of dendrites is an essential step in synapse formation. We report here a requirement for the transcription factor myocyte enhancer factor 2A (MEF2A) in the morphogenesis of postsynaptic granule neuron dendritic claws in the cerebellar cortex. A transcriptional repressor form of MEF2A that is sumoylated at lysine-403 promoted dendritic claw differentiation. Activity-dependent calcium signaling induced a calcineurin-mediated dephosphorylation of MEF2A at serine-408 and, thereby, promoted a switch from sumoylation to acetylation at lysine-403, which led to inhibition of dendritic claw differentiation. Our findings define a mechanism underlying postsynaptic differentiation that may modulate activity-dependent synapse development and plasticity in the brain.

The maintenance of pregnancy relies on finely tuned immune adaptations. We demonstrate that these adaptations are precisely timed, reflecting an immune clock of pregnancy in women delivering at term. Using mass cytometry, the abundance and functional responses of all major immune cell subsets were quantified in serial blood samples collected throughout pregnancy. Cell signaling-based Elastic Net, a regularized regression method adapted from the elastic net algorithm, was developed to infer and prospectively validate a predictive model of interrelated immune events that accurately captures the chronology of pregnancy. Model components highlighted existing knowledge and revealed previously unreported biology, including a critical role for the interleukin-2-dependent STAT5ab signaling pathway in modulating T cell function during pregnancy. These findings unravel the precise timing of immunological events occurring during a term pregnancy and provide the analytical framework to identify immunological deviations implicated in pregnancy-related pathologies.

Differential expression of inflammasome gene modules and inflammasome-activating metabolites correlates with interleukin-1β expression, hypertension, arterial stiffness and longevity in older individuals. Low-grade, chronic inflammation has been associated with many diseases of aging, but the mechanisms responsible for producing this inflammation remain unclear. Inflammasomes can drive chronic inflammation in the context of an infectious disease or cellular stress, and they trigger the maturation of interleukin-1β (IL-1β). Here we find that the expression of specific inflammasome gene modules stratifies older individuals into two extremes: those with constitutive expression of IL-1β, nucleotide metabolism dysfunction, elevated oxidative stress, high rates of hypertension and arterial stiffness; and those without constitutive expression of IL-1β, who lack these characteristics. Adenine and N4-acetylcytidine, nucleotide-derived metabolites that are detectable in the blood of the former group, prime and activate the NLRC4 inflammasome, induce the production of IL-1β, activate platelets and neutrophils and elevate blood pressure in mice. In individuals over 85 years of age, the elevated expression of inflammasome gene modules was associated with all-cause mortality. Thus, targeting inflammasome components may ameliorate chronic inflammation and various other age-associated conditions.

Single-cell mass cytometry revealed immune correlates of patient-associated variability in surgical recovery.

The biological determinants of the wide spectrum of COVID-19 clinical manifestations are not fully understood. Here, over 1400 plasma proteins and 2600 single-cell immune features comprising cell phenotype, basal signaling activity, and signaling responses to inflammatory ligands were assessed in peripheral blood from patients with mild, moderate, and severe COVID-19, at the time of diagnosis. Using an integrated computational approach to analyze the combined plasma and single-cell proteomic data, we identified and independently validated a multivariate model classifying COVID-19 severity (multi-class AUCtraining = 0.799, p-value = 4.2e-6; multi-class AUCvalidation = 0.773, p-value = 7.7e-6). Features of this high-dimensional model recapitulated recent COVID-19 related observations of immune perturbations, and revealed novel biological signatures of severity, including the mobilization of elements of the renin-angiotensin system and primary hemostasis, as well as dysregulation of JAK/STAT, MAPK/mTOR, and NF-κB immune signaling networks. These results provide a set of early determinants of COVID-19 severity that may point to therapeutic targets for the prevention of COVID-19 progression.

To understand the roles of acute-phase viral dynamics and host immune responses in post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection (PASC), we enrolled 136 participants within 5 days of their first positive SARS-CoV-2 real-time PCR test. Participants self-collected up to 21 nasal specimens within the first 28 days post-symptom onset; interviewer-administered questionnaires and blood samples were collected at enrollment, days 9, 14, 21, 28, and month 4 and 8 post-symptom onset. Defining PASC as the presence of any COVID-associated symptom at their 4-month visit, we compared viral markers (quantity and duration of nasal viral RNA load, infectious viral load, and plasma N-antigen level) and host immune markers (IL-6, IL-10, TNF-α, IFN-α, IFN-γ, MCP, IP-10, and Spike IgG) over the acute period. Compared to those who fully recovered, those reporting PASC demonstrated significantly higher maximum levels of SARS-CoV-2 RNA and N-antigen, burden of RNA and infectious viral shedding, and lower Spike-specific IgG levels within 9 days post-illness onset. No significant differences were identified among a panel of host immune markers. Our results suggest early viral dynamics and the associated host immune responses play a role in the pathogenesis of PASC, highlighting the importance of understanding early biological markers in the natural history of PASC.

Abstract The neural substrates of insomnia/hyperarousal induced by stress remain unknown. Here, we show that restraint stress leads to hyperarousal associated with strong activation of corticotropin-releasing hormone neurons in the paraventricular nucleus of hypothalamus (CRH PVN ) and hypocretin neurons in the lateral hypothalamus (Hcrt LH ). CRH PVN neurons are quiescent during natural sleep-wake transitions but are strongly active under restraint stress. CRISPR-Cas9-mediated knockdown of the crh gene in CRH PVN neurons abolishes hyperarousal elicited by stimulating LH-projecting CRH PVN neurons. Genetic ablation of Hcrt neurons or crh gene knockdown significantly reduces insomnia/hyperarousal induced by restraint stress. Given the association between stress and immune function, we used single-cell mass cytometry by time of flight (CyTOF) to analyze peripheral blood and found extensive changes to immune cell distribution and functional responses during wakefulness upon optogenetic stimulation of CRH PVN neurons. Our findings suggest both central and peripheral systems are synergistically engaged in the response to stress via CRH PVN circuitry.

Focused ultrasound can non-invasively modulate neural activity, but whether effective stimulation parameters generalize across brain regions and cell types remains unknown. We used focused ultrasound coupled with fiber photometry to identify optimal neuromodulation parameters for four different arousal centers of the brain in an effort to yield overt changes in behavior. Applying coordinate descent, we found that optimal parameters for excitation or inhibition are highly distinct, the effects of which are generally conserved across brain regions and cell types. Optimized stimulations induced clear, target-specific behavioral effects, whereas non-optimized protocols of equivalent energy resulted in substantially less or no change in behavior. These outcomes were independent of auditory confounds and, contrary to expectation, accompanied by a cyclooxygenase-dependent and prolonged reduction in local blood flow and temperature with brain-region-specific scaling. These findings demonstrate that carefully tuned and targeted ultrasound can exhibit powerful effects on complex behavior and physiology.

Background: Placental protein expression plays a crucial biological role during normal and complicated pregnancies. We hypothesized that: (1) circulating pregnancy-associated, placenta-related protein levels throughout gestation reflect the uncomplicated, full-term temporal progression of human gestation, and effectively estimates gestational ages (GAs); (2) pregnancies with underlying placental pathology, such as preeclampsia (PE), are associated with disruptions in this GA estimation in early gestation; (3) malfunctions of this GA estimation can be employed to identify impending PE. In addition, to explore the underlying biology and PE etiology, we set to compare protein gestational patterns of human and mouse, using pregnant heme oxygenase-1 (HO-1) heterozygote (Het) mice, a mouse model reflecting PE-like symptoms. Methods: Serum levels of circulating placenta-related proteins-leptin (LEP), chorionic somatomammotropin hormone like 1 (CSHL1), elabela (ELA), activin A, soluble fms-like tyrosine kinase 1 (sFlt-1), and placental growth factor (PlGF)-were quantified by ELISA in blood serially collected throughout human pregnancies (20 normal subjects with 66 samples, and 20 PE subjects with 61 samples). Linear multivariate analysis of the targeted serological protein levels was performed to estimate the normal GA. Logarithmic transformed mean-squared errors of GA estimations were used to identify impending PE. Then the human gestational protein patterns were compared to those in the pregnant HO-1 mice. Results: An elastic net (EN)-based gestational dating model was developed (R2 = 0.76) and validated (R2 = 0.61) using the serum levels of the 6 proteins at various GAs from women with normal uncomplicated pregnancies (n = 10 for training and n = 6 for validation). In pregnancies complicated by PE (n = 14), the EN model was not (R2 = -0.17) associated with GA at sampling in PE. Statistically significant deviations from the normal GA EN model estimations were observed in PE-associated pregnancies between GAs of 16-30 weeks (P = 0.01). The EN model developed with 5 proteins (ELA excluded due to the lack of robustness of the mouse ELA essay) performed similarly on normal human (R2 = 0.68) and WT mouse (R2 = 0.85) pregnancies. Disruptions of this model were observed in both human PE-associated (human: R2 = 0.27) and mouse HO-1 Het (mouse: R2 = 0.30) pregnancies. LEP out performed sFlt-1 and PlGF in differentiating impending PE at early human and late mouse gestations. Conclusions: As revealed in both human and mouse GA EN analyses, temporal serological placenta-related protein patterns are tightly regulated throughout normal human pregnancies and can be significantly disrupted in pathologic PE states. LEP changes earlier during gestation than the well-established late GA PE biomarkers (sFlt-1 and PlGF). Our HO-1 Het mouse analysis provides direct evidence of the causative action of HO-1 deficiency in LEP upregulation in a PE-like murine model. Therefore, longitudinal analyses of pregnancy-related protein patterns in sera, may not only help in the exploration of underlying PE pathophysiology but also provide better clinical utility in PE assessment.