Specific transfer of (orthodenticle homeobox 2) Otx2 homeoprotein into GABAergic interneurons expressing parvalbumin (PV) is necessary and sufficient to open, then close, a critical period (CP) of plasticity in the developing mouse visual cortex. The accumulation of endogenous Otx2 in PV cells suggests the presence of specific Otx2 binding sites. Here, we find that perineuronal nets (PNNs) on the surfaces of PV cells permit the specific, constitutive capture of Otx2. We identify a 15 aa domain containing an arginine-lysine doublet (RK peptide) within Otx2, bearing prototypic traits of a glycosaminoglycan (GAG) binding sequence that mediates Otx2 binding to PNNs, and specifically to chondroitin sulfate D and E, with high affinity. Accordingly, PNN hydrolysis by chondroitinase ABC reduces the amount of endogenous Otx2 in PV cells. Direct infusion of RK peptide similarly disrupts endogenous Otx2 localization to PV cells, reduces PV and PNN expression, and reopens plasticity in adult mice. The closure of one eye during this transient window reduces cortical acuity and is specific to the RK motif, as an Alanine-Alanine variant or a scrambled peptide fails to reactivate plasticity. Conversely, this transient reopening of plasticity in the adult restores binocular vision in amblyopic mice. Thus, one function of PNNs is to facilitate the persistent internalization of Otx2 by PV cells to maintain CP closure. The pharmacological use of the Otx2 GAG binding domain offers a novel, potent therapeutic tool with which to restore cortical plasticity in the mature brain.

Abstract Choroid plexus secretes cerebrospinal fluid important for brain development and homeostasis. The OTX2 homeoprotein is critical for choroid plexus development and remains highly expressed in adult choroid plexus. Through RNA sequencing analyses of constitutive and conditional knockdown adult mouse models, we reveal putative roles for OTX2 in choroid plexus function, including cell signaling and adhesion, and show that it regulates the expression of factors secreted into cerebrospinal fluid, notably transthyretin. We show that Otx2 expression impacts choroid plexus immune and stress responses, and also affects splicing which leads to changes in mRNA isoforms of proteins implicated in oxidative stress response and DNA repair. Through mass spectrometry analysis of OTX2 protein partners in the choroid plexus, and in known non-cell autonomous target regions such as visual cortex and ventricular-subventricular zone, we identified putative targets involved in cell adhesion, chromatin structure and RNA processing. Thus, OTX2 retains important roles in choroid plexus function and brain homeostasis throughout life.

Neurons use local protein synthesis as a mechanism to support their morphological complexity, which requires independent control across multiple subcellular compartments including individual synapses. However, to what extent local translation is differentially regulated at the level of specific synaptic connections remains largely unknown. Here, we identify a signaling pathway that regulates the local synthesis of proteins required for the formation of excitatory synapses on parvalbumin-expressing (PV + ) interneurons in the mouse cerebral cortex. This process involves the regulation of the mTORC1 inhibitor Tsc2 by the receptor tyrosine kinase ErbB4, which enables the local control of mRNA translation in a cell type-specific and synapse-specific manner. Ribosome-associated mRNA profiling reveals a molecular program of synaptic proteins that regulates the formation of excitatory inputs on PV + interneurons downstream of ErbB4 signaling. Our work demonstrates that local protein translation is regulated at the level of specific connections to control synapse formation in the nervous system.

Abstract Neuronal activity is regulated in a narrow permissive band for the proper operation of neural networks. Changes in synaptic connectivity and network activity, for example, during learning, might disturb this balance, eliciting compensatory mechanisms to maintain network function. In the neocortex, excitatory pyramidal cells and inhibitory interneurons exhibit robust forms of stabilising plasticity. However, while neuronal plasticity has been thoroughly studied in pyramidal cells, little is known about how interneurons adapt to persistent changes in their activity. Here we uncover the critical cellular and molecular mechanisms through which cortical parvalbumin-expressing (PV+) interneurons adapt to changes in their activity levels. We found that changes in the activity of PV+ interneurons drive cell-autonomous, bi-directional compensatory adjustments of the number and strength of inhibitory synapses received by these cells, specifically from other PV+ interneurons. High-throughput profiling of ribosome-associated mRNA revealed that increasing the activity of PV+ interneurons leads to the cell-autonomous upregulation of two genes encoding multiple secreted neuropeptides, Vgf and Scg2 . Functional experiments demonstrated that VGF is critically required for the activity-dependent scaling of inhibitory PV+ synapses onto PV+ interneurons. Our findings reveal an instructive role for neuropeptide-encoding genes in regulating synaptic connections among PV+ interneurons in the adult mouse neocortex.

Cortical neurons are specified during embryonic development but often only acquire their mature properties at relatively late stages of postnatal development. This delay in terminal differentiation is particularly prominent for fast-spiking parvalbumin-expressing (PV+) interneurons, which play critical roles in regulating the function of the cerebral cortex. We found that the maturation of PV+ interneurons is triggered by neuronal activity and mediated by the transcriptional cofactor peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α). Developmental loss of PGC-1α prevents PV+ interneurons from acquiring unique structural, electrophysiological, synaptic, and metabolic features and disrupts their diversification into distinct subtypes. PGC-1α exerts its function as a master regulator of the differentiation of PV+ interneurons by directly controlling gene expression through a transcriptional complex that includes ERRγ and Mef2c. Our results uncover a molecular switch that translates neural activity into a specific transcriptional program promoting the maturation of PV+ interneurons at the appropriate developmental stage.

OTX2 is a homeoprotein transcription factor expressed in photoreceptors and bipolar cells in the retina. OTX2, like many other homeoproteins, transfers between cells and exerts non-cell autonomous effects such as promoting survival of retinal ganglion cells that do not express the protein. Here we used a genetic approach to target extracellular OTX2 in the retina by conditional expression of a secreted single chain anti-OTX2 antibody. Compared to control mice, the expression of this antibody by Parvalbumin-expressing neurons in the retina is followed by a reduction in visual acuity in one-month-old mice with no alteration of the retinal structure or cell type number or aspect. A- and b-waves measured by electroretinogram were also indistinguishable from control mice, suggesting no functional deficit of photoreceptors and bipolar cells. Mice expressing the OTX2-neutralizing antibody did show a significant doubling in the flicker amplitude, consistent with a change in inner retinal function. Our results demonstrate that interfering in vivo with OTX2 non-cell autonomous activity in the postnatal retina leads to an alteration in inner retinal cell functions and causes a deficit in visual acuity.### Competing Interest StatementKLM and AP are listed on patents for the use of homeoproteins to treat neurodegenerative disease and each holds equity in a start up with that aim.

The assembly of functional neuronal circuits requires appropriate numbers of distinct classes of neurons, but the mechanisms through which their relative proportions are established remain poorly defined. Investigating the mouse striatum, here we found that the two most prominent subtypes of striatal interneurons, parvalbumin-expressing (PV+) GABAergic and cholinergic (ChAT+) interneurons, undergo extensive programmed cell death between the first and second postnatal weeks. Remarkably, the survival of PV+ and ChAT+ interneurons is regulated by distinct mechanisms mediated by their specific afferent connectivity. While long-range cortical inputs control PV+ interneuron survival, ChAT+ interneuron survival is regulated by local input from the medium spiny neurons. Our results identify input-specific circuit mechanisms that operate during the period of programmed cell death to establish the final number of interneurons in nascent striatal networks.

The non-cell autonomous transfer of OTX2 homeoprotein transcription factor into juvenile mouse cerebral cortex regulates parvalbumin interneuron maturation and critical period timing. By analyzing gene expression in primary visual cortex of wild-type and Otx2+/GFP mice at plastic and non-plastic ages, we identified several putative genes implicated in Otx2-dependent visual cortex plasticity for ocular dominance. Cortical OTX2 infusion in juvenile mice induced Gadd45b/g expression through direct regulation of transcription. Intriguingly, a reverse effect was found in the adult, where reducing cortical OTX2 resulted in Gadd45b/g up-regulation. Viral expression of Gadd45b in adult visual cortex directly induced ocular dominance plasticity with concomitant changes in MeCP2 foci within parvalbumin interneurons and in methylation states of several plasticity gene promoters, suggesting epigenetic regulation. This interaction provides a molecular mechanism for OTX2 to trigger critical period plasticity yet suppress adult plasticity.