Mir-138, identified in a screen for microRNAs associated with synapses, regulates dendritic spine morphogenesis through APT-1, a depalmitoylation enzyme that modulates the membrane localization of the heterotrimeric G protein alpha subunit. The microRNA pathway has been implicated in the regulation of synaptic protein synthesis and ultimately in dendritic spine morphogenesis, a phenomenon associated with long-lasting forms of memory. However, the particular microRNAs (miRNAs) involved are largely unknown. Here we identify specific miRNAs that function at synapses to control dendritic spine structure by performing a functional screen. One of the identified miRNAs, miR-138, is highly enriched in the brain, localized within dendrites and negatively regulates the size of dendritic spines in rat hippocampal neurons. miR-138 controls the expression of acyl protein thioesterase 1 (APT1), an enzyme regulating the palmitoylation status of proteins that are known to function at the synapse, including the α13 subunits of G proteins (Gα13). RNA-interference-mediated knockdown of APT1 and the expression of membrane-localized Gα13 both suppress spine enlargement caused by inhibition of miR-138, suggesting that APT1-regulated depalmitoylation of Gα13 might be an important downstream event of miR-138 function. Our results uncover a previously unknown miRNA-dependent mechanism in neurons and demonstrate a previously unrecognized complexity of miRNA-dependent control of dendritic spine morphogenesis.

Adaptation to different levels of illumination is central to the function of the retina. Here, we demonstrate that levels of the miR-183/96/182 cluster, miR-204, and miR-211 are regulated by different light levels in the mouse retina. Concentrations of these microRNAs were downregulated during dark adaptation and upregulated in light-adapted retinas, with rapid decay and increased transcription being responsible for the respective changes. We identified the voltage-dependent glutamate transporter Slc1a1 as one of the miR-183/96/182 targets in photoreceptor cells. We found that microRNAs in retinal neurons decay much faster than microRNAs in nonneuronal cells. The high turnover is also characteristic of microRNAs in hippocampal and cortical neurons, and neurons differentiated from ES cells in vitro. Blocking activity reduced turnover of microRNAs in neuronal cells while stimulation with glutamate accelerated it. Our results demonstrate that microRNA metabolism in neurons is higher than in most other cells types and linked to neuronal activity.PaperClip/cms/asset/f189aba4-36c6-4776-8cb6-d6fdf96527a8/mmc5.mp3Loading ...(mp3, 2.95 MB) Download audio

Abstract The underlying physiological and molecular mechanisms of bipolar disorder (BD) remain largely unknown. Here, by using unbiased small RNA sequencing in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), we found that miR-708-5p, a microRNA that was previously associated with BD, is the most strongly upregulated microRNA in peripheral blood of both healthy human subjects with a high genetic or environmental predisposition to develop mood disorders (MDs). Furthermore, miR-708-5p is strongly upregulated in patients diagnosed with BD and has potential in conjunction with the previously identified miR-499-5p to differentiate BD patients from patients suffering from major depressive disorder (MDD) and healthy controls. miR-708 is also upregulated in the hippocampus of wild type juvenile rats that underwent social isolation, as well as in juvenile rats heterozygous for the BD risk gene Cacna1c . Furthermore, ectopic overexpression of miR-708-5p in the hippocampus of adult male mice leads to BD-associated endophenotypes, such as reduced behavioral despair, enhanced compulsivity, and short-term memory impairments. miR-708-5p directly targets Neuronatin (Nnat), an endoplasmic reticulum (ER) resident protein involved in calcium homeostasis. Restoring Nnat expression in the hippocampus of miR-708-5p overexpressing mice rescues BD-associated endophenotypes. In summary, we functionally link miR-708-5p dependent regulation of Nnat to BD, with potential implications for BD diagnosis and therapy.

Circular RNAs (circRNAs) are an expanding class of largely unexplored RNAs which are prominently enriched in the mammalian brain. Here, we systematically interrogated their role in excitatory synaptogenesis of rat hippocampal neurons using RNA interference. Thereby, we identified seven circRNAs as negative regulators of excitatory synapse formation, many of which contain high-affinity microRNA binding sites. Knockdown of one of these candidates, circRERE, surprisingly promoted the formation of electrophysiologically silent synapses. Mechanistically, circRERE knockdown resulted in a preferential upregulation of synaptic mRNAs containing binding sites for miR-128-3p because of a reduced protective interaction between miR-128-3p and circRERE. Accordingly, overexpression of circRERE rescued exaggerated synapse formation upon circRERE knockdown in a miR-128-3p binding site-specific manner. Overall, our results uncover circRERE-mediated stabilization of miR-128-3p as a novel mechanism to restrict the formation of silent excitatory synaptic co-clusters and more generally implicate circRNA-dependent microRNA regulation in the control of synapse development and function.

Abstract The proper development and function of neuronal circuits relies on a tightly regulated balance between excitatory and inhibitory (E/I) synaptic transmission, and disrupting this balance can cause neurodevelopmental disorders, e.g. schizophrenia. microRNA-dependent gene regulation in pyramidal neurons is important for excitatory synaptic function and cognition, but its role in inhibitory interneurons is poorly understood. Here, we identify miR-138-5p as a regulator of short-term memory and inhibitory synaptic transmission in the hippocampus. Sponge-mediated miR-138-5p inactivation specifically in parvalbumin (PV)-expressing interneurons impairs spatial recognition memory and enhances GABAergic synaptic input onto pyramidal neurons. Cellular and behavioural phenotypes associated with miR-138-5p inactivation are paralleled by an upregulation of the schizophrenia-associated Erbb4 , which we validated as a direct miR-138-5p target gene. Our findings suggest that miR-138-5p is a critical regulator of PV interneuron function, with implications for cognition and schizophrenia. More generally, they provide evidence that microRNAs orchestrate neural circuit development by fine-tuning both excitatory and inhibitory synaptic transmission.

Abstract Synaptic scaling is a form of homeostatic plasticity which allows neurons to adjust their action potential firing rate in response to chronic alterations in neural activity. Synaptic scaling requires profound changes in gene expression, but the relative contribution of local and cell-wide mechanisms is controversial. Here we performed a comprehensive multi-omics characterization of the somatic and process compartments of primary rat hippocampal neurons during synaptic scaling. Thereby, we uncovered both highly compartment-specific and correlated changes in the neuronal transcriptome and proteome. Whereas downregulation of crucial regulators of neuronal excitability occurred primarily in the somatic compartment, structural components of excitatory postsynapses were mostly downregulated in processes. Motif analysis further suggests an important role for trans-acting post-transcriptional regulators, including RNA-binding proteins and microRNAs, in the local regulation of the corresponding mRNAs. Altogether, our study indicates that compartmentalized gene expression changes are widespread in synaptic scaling and might co-exist with neuron-wide mechanisms to allow synaptic computation and homeostasis.

ABSTRACT Bipolar disorder (BD) is a chronic mood disorder characterized by alternating manic and depressive episodes, often in conjunction with cognitive deficits. Dysregulation of neuroplasticity and calcium homeostasis as a result of complex genetic environment interactions are frequently observed in BD patients, but the underlying molecular mechanisms are largely unknown. Here, we show that a BD-associated microRNA, miR-499-5p, regulates neuronal dendrite development and cognitive function by downregulating the BD risk gene CACNB2 . miR-499-5p expression is increased in peripheral blood of BD patients and healthy subjects at risk of developing the disorder due to a history of childhood maltreatment. This up-regulation is paralleled in the hippocampus of rats which underwent juvenile social isolation. Elevating miR-499-5p levels in rat hippocampal pyramidal neurons impairs dendritogenesis and reduces surface expression and activity of the voltage-gated L-type calcium channel Ca v 1.2. We further identified CACNB2 , which encodes a regulatory β-subunit of Ca v 1.2, as a direct target of miR-499-5p in neurons. CACNB2 downregulation is required for the miR-499-5p dependent impairment of dendritogenesis, suggesting that CACNB2 is an important downstream target of miR-499-5p in the regulation of neuroplasticity. Finally, elevating miR-499-5p in the hippocampus in vivo is sufficient to induce short-term memory impairments in rats haploinsufficient for the Ca v 1.2 pore forming subunit Cacna1c . Taken together, we propose that stress-induced upregulation of miR-499-5p contributes to dendritic impairments and deregulated calcium homeostasis in BD, with specific implications for the neurocognitive dysfunction frequently observed in BD patients.