Summary Prime editing is a highly versatile genome editing technology that holds great potential for treating genetic diseases 1, 2 . While in vivo prime editing has recently been conducted in the brain, liver, heart, and retina 3–6 , application of this technology to modulate neural circuits in the brain has not been reported yet. Here, we employ adeno-associated viral vectors to deliver optimized intein-split prime editors into the brain of mice. Delivery into newborn pups via intracerebroventricular injection resulted in up to 44.0% editing at the Dnmt1 locus in the cortex (on average 34.8±9.8% after 6 months). In addition, we obtained up to 28.1% editing at the Adrb1 locus in the cortex (on average 14.7±11.6% after 6 months). The introduced Adrb1 A187V mutation is a naturally occurring variant of the β1-adrenergic receptor, which has previously been linked to increased activity and natural short sleep 7 . Similarly, we observed an increase in the activity and exploratory behavior of treated animals. This study demonstrates the potential of prime editing for treating genetic diseases in the central nervous system and for reprogramming molecular pathways that modulate animal behavior.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a multifactorial disease caused by irreversible progressive loss of dopaminergic neurons. Recent studies reported successful conversion of astrocytes into dopaminergic neurons by repressing polypyrimidine tract binding protein 1 (PTBP1), which led to a rescue of motor symptoms in a mouse model for PD. However, the mechanisms underlying this cell type conversion remain underexplored and controversial. Here, we devised a strategy using adenine base editing to effectively knockdown PTBP1 in astrocytes and neurons in a PD mouse model. Using AAV delivery vectors at a dose of 2×10 8 vg per animal, we found that Ptbp1 editing in neurons, but not astrocytes, of the substantia nigra pars compacta and striatum resulted in the formation of tyrosine hydroxylase (TH) + cells and the rescue of forelimb akinesia and spontaneous rotations. Phenotypic analysis of TH + cells indicates that they originated from non-dividing neurons and acquired dopaminergic neuronal markers upon PTBP1 downregulation. While further research is required to fully understand the origin, identity, and function of these newly generated TH + cells, our study reveals that the downregulation of PTBP1 can reprogram neurons to mitigate symptoms in PD mice.

Abstract Dopamine and orexins (hypocretins) play important roles in regulating reward-seeking behaviors. It is known that hypothalamic orexinergic neurons project to dopamine neurons in the ventral tegmental area (VTA), where they can stimulate dopaminergic neuronal activity. Although there are reciprocal connections between dopaminergic and orexinergic systems, whether and how dopamine regulates the activity of orexin neurons is currently not known. Here we implemented an opto-Pavlovian task in which mice learn to associate a sensory cue with optogenetic dopamine neuron stimulation to investigate the relationship between dopamine release and orexin neuron activity in the LH. We found that dopamine release can be evoked in LH upon optogenetic stimulation of VTA dopamine neurons, and is also naturally evoked by cue presentation after opto-Pavlovian learning. Furthermore, orexin neuron activity could also be upregulated by local stimulation of dopaminergic terminals in the LH in a way that is partially dependent on dopamine D2 receptors (DRD2). Our results reveal previously unknown orexinergic coding of reward expectation and unveil an orexin-regulatory axis mediated by local dopamine inputs in the LH. Highlights Optical VTA DA neuron stimulation is sufficient to elicit a Pavlovian-like dopamine transient in the NAc Dopamine in the LH encodes both negative and positive reward prediction errors Dopamine in the LH positively modulates orexin neuronal activity locally in a D2R dependent way