Abstract Alternative RNA splicing varies across brain regions, but the single-cell resolution of such regional variation is unknown. Here we present the first single-cell investigation of differential isoform expression (DIE) between brain regions, by performing single cell long-read transcriptome sequencing in the mouse hippocampus and prefrontal cortex in 45 cell types at postnatal day 7 ( www.isoformAtlas.com ). Using isoform tests for brain-region specific DIE, which outperform exon-based tests, we detect hundreds of brain-region specific DIE events traceable to specific cell-types. Many DIE events correspond to functionally distinct protein isoforms, some with just a 6-nucleotide exon variant. In most instances, one cell type is responsible for brain-region specific DIE. Cell types indigenous to only one anatomic structure display distinctive DIE, where for example, the choroid plexus epithelium manifest unique transcription start sites. However, for some genes, multiple cell-types are responsible for DIE in bulk data, indicating that regional identity can, although less frequently, override cell-type specificity. We validated our findings with spatial transcriptomics and long-read sequencing, yielding the first spatially resolved splicing map in the postnatal mouse brain ( www.isoformAtlas.com ). Our methods are highly generalizable. They provide a robust means of quantifying isoform expression with cell-type and spatial resolution, and reveal how the brain integrates molecular and cellular complexity to serve function.

ABSTRACT Membrane excitability and cell-to-cell communication in the brain are tightly regulated by diverse ion channels and receptor proteins localized to distinct membrane compartments. Currently, a major technical barrier in cellular neuroscience is lack of reliable methods to label these membrane proteins and image their sub-cellular localization and dynamics. To overcome this challenge, we devised optical imaging strategies that enable systematic characterization of subcellular composition, relative abundances and trafficking dynamics of membrane proteins at nanometer scales in cultured neurons as well as in the brain. Using these methods, we revealed exquisite developmental regulation of subcellular distributions of voltage-gated sodium channel (VGSC) Na v 1.2 and Na v 1.6, settling a decade long debate regarding the molecular identity of sodium channels in dendrites. In addition, we discovered a previously uncharacterized trafficking pathway that targets Na v 1.2 to unmyelinated fragments in the distal axon. Myelination counteracts this pathway, facilitating the installment of Nav1.6 as the dominant VGSC in the axon. Together, these imaging approaches unveiled compartment-specific trafficking mechanisms underpinning differential membrane distributions of VGSCs and open avenues to decipher how membrane protein localization and dynamics contribute to neural computation in the brain.

ABSTRACT The cardiac voltage-gated sodium channel Na v 1.5 conducts the rapid inward sodium current crucial for cardiomyocyte excitability. Loss-of-function mutations in its gene SCN5A are linked to cardiac arrhythmias such as Brugada Syndrome (BrS). Several BrS-associated mutations in the Na v 1.5 N-terminal domain exert a dominant-negative effect (DNE) on wild-type channel function, for which mechanisms remain poorly understood. We aim to contribute to the understanding of BrS pathophysiology by characterizing three mutations in the Na v 1.5 N-terminal domain (NTD): Y87C–here newly identified–, R104W and R121W. In addition, we hypothesize that the calcium sensor protein calmodulin is a new NTD binding partner. Recordings of whole-cell sodium currents in TsA-201 cells expressing WT and variant Na v 1.5 showed that Y87C and R104W but not R121W exert a DNE on WT channels. Biotinylation assays revealed reduction in fully glycosylated Na v 1.5 at the cell surface and in whole-cell lysates. Localization of Na v 1.5 WT channel with the ER however did not change in the presence of variants, shown by transfected and stained rat neonatal cardiomyocytes. We next demonstrated that calmodulin binds Na v 1.5 N-terminus using in silico modeling, SPOTS, pull-down and proximity ligation assays. This binding is impaired in the R121W variant and in a Na v 1.5 construct missing residues 80-105, a predicted calmodulin binding site. In conclusion, we present the first evidence that calmodulin binds to the Na v 1.5 NTD, which seems to be a determinant for the DNE.

Abstract Sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP) poses a significant risk to life expectancy for individuals with epilepsy. Mechanistic insight, while incomplete, has advanced through clinical observational studies and animal models. Yet we lack preventative therapies, which will depend on understanding SUDEP mechanisms. Recurrent convulsive seizures are the major SUDEP risk factor. Cardiorespiratory dysfunction precedes SUDEP, but whether cardiac arrhythmias are major proximate culprits for SUDEP remains to be determined. Here, we highlight recent data from mouse models and clinical studies that provide increasing support for respiratory depression and decreasing evidence for tachyarrhythmia-induced SUDEP. Further, we review data from genetic and chemoconvulsant mouse models that have enabled a deeper understanding for how seizures initiated in the central nervous system propagate to the autonomic nervous system and drive seizure-induced respiratory depression and subsequent SUDEP, rather than supporting a proximate cardiac arrhythmia cause. Ongoing research will continue to identify predictive SUDEP biomarkers, improve animal models, and translate basic research into precision medicine approaches. Identifying and understanding the brainstem circuits vulnerable in seizure-induced apnoea will enable therapeutic interventions to enhance the quality of life and life expectancy for individuals with epilepsy.

Abstract Developmental and Epileptic Encephalopathies (DEEs), a class of devastating neurological disorders characterized by recurrent seizures and exacerbated by disruptions to excitatory/inhibitory balance in the brain, are commonly caused by mutations in ion channels. Disruption of, or variants in, FGF13 were implicated as causal for a set of DEEs, but the underlying mechanisms were clouded because FGF13 is expressed in both excitatory and inhibitory neurons, FGF13 undergoes extensive alternative splicing producing multiple isoforms with distinct functions, and the overall roles of FGF13 in neurons are incompletely cataloged. To overcome these challenges, we generated a set of novel cell type-specific conditional knockout mice. Interneuron-targeted deletion of Fgf13 led to perinatal mortality associated with extensive seizures and impaired the hippocampal inhibitory/excitatory balance while excitatory neuron-targeted deletion of Fgf13 caused no detectable seizures and no survival deficits. While best studied as a voltage-gated sodium channel (Na v ) regulator, we observed no effect of Fgf13 ablation in interneurons on Na v s but rather a marked reduction in K + channel currents. Re-expressing different Fgf13 splice isoforms could partially rescue deficits in interneuron excitability and restore K + channel current amplitude. These results enhance our understanding of the molecular mechanisms that drive the pathogenesis of Fgf13- related seizures and expand our understanding of FGF13 functions in different neuron subsets.

Abstract Tendons are tension-bearing tissues transmitting force from muscle to bone for body movement. This mechanical loading is essential for tendon development, homeostasis, and healing after injury. While Ca 2+ signaling has been studied extensively for its roles in mechanotransduction, regulating muscle, bone and cartilage development and homeostasis, knowledge about Ca 2+ signaling and the source of Ca 2+ signals in tendon fibroblast biology are largely unknown. Here, we investigated the function of Ca 2+ signaling through Ca V 1.2 voltage-gated Ca 2+ channel in tendon formation. Using a reporter mouse, we found that Ca V 1.2 is highly expressed in tendon during development and downregulated in adult homeostasis. To assess its function, we generated ScxCre;Ca V 1.2 TS mice that express a gain-of-function mutant Ca V 1.2 channel (Ca V 1.2 TS ) in tendon. We found that tendons in the mutant mice were approximately 2/3 larger and had more tendon fibroblasts, but the cell density of the mutant mice decreased by around 22%. TEM analyses demonstrated increased collagen fibrillogenesis in the hypertrophic tendon. Biomechanical testing revealed that the hypertrophic Achilles tendons display higher peak load and stiffness, with no changes in peak stress and elastic modulus. Proteomics analysis reveals no significant difference in the abundance of major extracellular matrix (ECM) type I and III collagens, but mutant mice had about 2-fold increase in other ECM proteins such as tenascin C, tenomodulin, periostin, type XIV and type VIII collagens, around 11-fold increase in the growth factor of TGF-β family myostatin, and significant elevation of matrix remodeling proteins including Mmp14, Mmp2 and cathepsin K. Taken together, these data highlight roles for increased Ca 2+ signaling through Ca V 1.2 on regulating expression of myostatin growth factor and ECM proteins for tendon collagen fibrillogenesis during tendon formation.

Summary The canonical G406R gain of function mutation that reduces inactivation and increases Ca 2+ influx through the CACNA1C -encoded Ca V 1.2 voltage gated Ca 2+ channel underlies the multisystem disorder Timothy syndrome (TS), characterized by invariant Long QT syndrome and consequent life-threatening arrhythmias. Severe episodic hypoglycemia, which exacerbates arrhythmia risk, is among the myriad non-cardiac TS pathologies that are poorly characterized. While hypoglycemia is thought to result from increased Ca 2+ influx through Ca V 1.2 channels in pancreatic beta cells and consequent hyperinsulinism, this mechanism has never been demonstrated due to a lack of informative animal models, thus hampering development of preventive strategies. We generated a Ca V 1.2 G406R knockin mouse model that recapitulates key TS features including hypoglycemia. Unexpectedly, these mice did not show hyperactive beta cells or hyperinsulinism in the setting of normal intrinsic beta cell function, suggesting dysregulated glucose homeostasis. We discovered multiple alternative contributors to hypoglycemia, including perturbed counterregulatory hormone responses with defects in glucagon secretion and abnormal hypothalamic glucose sensing. Together, these data provide new insights into physiological contributions of the broadly expressed Ca V 1.2 channel and reveal integrated consequences of the mutant channel that underlie the life-threatening events in TS. Brief Summary Gain of function mutant Ca V 1.2 channels drive hypoglycemia through adverse effects on counterregulatory hormones and central nervous system glucose sensing