Midbrain dopaminergic (mDA) neurons are diverse in their projection targets, effect on behavior, and susceptibility to neurodegeneration. Little is known about the molecular mechanisms establishing this diversity during development. We show that the transcription factor BCL11A is expressed in a subset of mDA neurons in the developing and adult murine brain and in a subpopulation of pluripotent-stem-cell-derived human mDA neurons. By combining intersectional labeling and viral-mediated tracing, we demonstrate that Bcl11a-expressing mDA neurons form a highly specific subcircuit within the murine dopaminergic system. In the substantia nigra, the Bcl11a-expressing mDA subset is particularly vulnerable to neurodegeneration upon α-synuclein overexpression or oxidative stress. Inactivation of Bcl11a in murine mDA neurons increases this susceptibility further, alters the distribution of mDA neurons, and results in deficits in skilled motor behavior. In summary, BCL11A defines mDA subpopulations with highly distinctive characteristics and is required for establishing and maintaining their normal physiology.

Abstract Midbrain dopaminergic (mDA) neurons are diverse in their projection targets, impact on behavior and susceptibility to neurodegeneration. Little is known about the molecular mechanisms that establish this diversity in mDA neurons during development. We find that the transcription factor Bcl11a defines a subset of mDA neurons in the developing and adult murine brain. By combining intersectional labeling and viral-mediated tracing we show that Bcl11a-expressing mDA neurons form a highly specific subcircuit within the dopaminergic system. We demonstrate that Bcl11a-expressing mDA neurons in the substantia nigra (SN) are particularly vulnerable to neurodegeneration in an α-synuclein overexpression model of Parkinson’s disease. Inactivation of Bcl11a in developing mDA neurons results in anatomical changes, deficits in motor learning and a dramatic increase in the susceptibility to α-synuclein-induced degeneration in SN-mDA neurons. In summary, we identify an mDA subpopulation with highly distinctive characteristics defined by the expression of the transcription factor Bcl11a already during development.

Abstract Short chain fatty acids (SCFAs) are immunomodulatory compounds produced by the microbiome through fermentation of dietary fibre. Although they are generally considered beneficial for gut health, patients suffering from inflammatory bowel disease (IBD) have shown poor tolerance to fibre-rich diets, suggesting that SCFAs may have contrary effects under inflammatory conditions. To investigate this, we examined the effect of SCFAs on human macrophages in the presence of toll-like receptor agonists. In contrast to their anti-inflammatory effects under steady state conditions, we observed that the SCFAs butyrate and propionate triggered the activation of the NLRP3 inflammasome when added in conjunction with TLR agonists. Mechanistically, butyrate and propionate activated NLRP3 by inhibiting HDACs 1-3 and 10, leading to an uneven distribution of histone hyperacetylation that resulted in alterations in the transcriptome. Specifically, there was a lack of hyperacetylation at the loci of the CFLAR and IL10 genes, two important inhibitors of NLRP3 inflammasome activation. The concurrent loss of transcription and protein expression of cFLIP and IL-10 enabled caspase-8-dependent NLRP3-inflammasome activation. SCFA-driven NLRP3 activation did not require potassium efflux and did not result in cell death but rather triggered hyperactivation and IL-1β release. Our findings demonstrate that butyrate and propionate are bacterially-derived, viability-dependent danger signals (vita-PAMPs) that regulate NLRP3 inflammasome activation through epigenetic modulation of the inflammatory response. Summary Under inflammatory conditions, SCFAs are bacterially-derived, viability-dependent danger signals that, through HDAC inhibition and epigenetic modification, prevent expression of the anti-cell death gene cFLIP to trigger activation of the NLRP3 inflammasome.