Mapping the brain, one neuron at a time Spatial transcriptomics can link molecularly described cell types to their anatomical positions and functional roles. Moffitt et al. used a combination of single-cell RNA-sequencing and MERFISH (multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization) to map the identity and location of specific cell types within the mouse preoptic hypothalamus and surrounding areas of the brain (see the Perspective by Tasic and Nicovich). They related these cell types to specific behaviors via gene activity. The approach provides an unbiased description of cell types of the preoptic area, which are important for sleep, thermoregulation, thirst, and social behavior. Science , this issue p. eaau5324 ; see also p. 749

ABSTRACT While recent studies have uncovered dedicated neural pathways mediating the positive control of parenting, the regulation of infant-directed aggression and how it relates to adult-adult aggression is poorly understood. Here we show that urocortin-3 ( Ucn3 )-expressing neurons in the hypothalamic perifornical area (PeFA Ucn3 ) are activated during infant-directed attacks in males and females, but not other behaviors. Functional manipulations of PeFA Ucn3 neurons demonstrate the role of this population in the negative control of parenting in both sexes. PeFA Ucn3 neurons receive input from areas associated with vomeronasal sensing, stress, and parenting, and send projections to hypothalamic and limbic areas. Optogenetic activation of PeFA Ucn3 axon terminals in these regions triggers various aspects of infant-directed agonistic responses, such as neglect, repulsion and aggression. Thus, PeFA Ucn3 neurons emerge as a dedicated circuit component controlling infant-directed neglect and aggression, providing a new framework to understand the positive and negative regulation of parenting in health and disease.

Background: Aging is a pleiotropic process affecting many aspects of organismal and cellular physiology. Mammalian organisms are composed of a constellation of distinct cell type and state identities residing within different tissue environments. Due to technological limitations, the study of aging has traditionally focused on changes within individual cell types, or the aggregate changes across cell types within a tissue. The influence of cell identity and tissue environment on the trajectory of aging therefore remains unclear. Results: Here, we perform single cell RNA-seq on >50,000 individual cells across three tissues in young and aged mice. These molecular profiles allow for comparison of aging phenotypes across cell types and tissue environments. We find transcriptional features of aging common across many cell types, as well as features of aging unique to each type. Leveraging matrix factorization and optimal transport methods, we compute a trajectory and magnitude of aging for each cell type. We find that cell type exerts a larger influence on these measures than tissue environment. Conclusion: In this study, we use single cell RNA-seq to dissect the influence of cell identity and tissue environment on the aging process. Single cell analysis reveals that cell identities age in unique ways, with some common features of aging shared across identities. We find that both cell identities and tissue environments exert influence on the trajectory and magnitude of aging, with cell identity influence predominating. These results suggest that aging manifests with unique directionality and magnitude across the diverse cell identities in mammals.

The Integrated Stress Response (ISR) attenuates the rate of protein synthesis while inducing expression of stress proteins in cells. Various insults activate kinases that phosphorylate the GTPase eIF2 leading to inhibition of its exchange factor eIF2B. Vanishing White Matter (VWM) is a neurological disease caused by eIF2B mutations that, like phosphorylated eIF2, reduce its activity. We show that introduction of a human VWM mutation into mice leads to persistent ISR induction in the central nervous system. ISR activation precedes myelin loss and development of motor deficits. Remarkably, long-term treatment with a novel eIF2B activator, 2BAct, prevents all measures of pathology and normalizes the transcriptome and proteome of VWM mice. 2BAct stimulates the remaining activity of mutant eIF2B complex in vivo, abrogating the maladaptive stress response. Thus, 2BAct-like molecules may provide a promising therapeutic approach for VWM and provide relief from chronic ISR induction in a variety of other disease contexts.

Social hierarchy is a common organizational structure of animal groups, in which an individual social status generates an adaptive behavioral state that facilitates interactions with other group members. Although generally stable, the social status of an animal can change, underscoring the plasticity of the underlying neural circuits. Here, we uncover the molecular and biophysical properties of a cortico-thalamic circuit that supports the emergence of hierarchy in mice. We established a robust behavioral paradigm to explore the establishment of hierarchy among groups of unfamiliar males, and identified the mediodorsal thalamus (MDT) and the caudal part of anterior cingulate area (cACC) as brain areas that are differentially activated between dominants and subordinates. Glutamatergic MDT neurons project to inhibitory parvalbumin interneurons of the cACC, and activity levels of both cell types control competitive performance. Synaptic inputs and excitability of MDT neurons undergo dramatic changes according to the animal social status, and single nucleus sequencing identified increased transcription of the voltage gated ion channel Trpm3 in dominant mice, leading to enhanced excitatory transmission in the MDT-cACC circuit. Our data suggest a model in which cellular, molecular and biophysical plasticity in a thalamocortical circuit controls the expression of social status.

Parental effects are an important source of adaptive traits. By contrast, parental effects failing to regulate offspring phenotype to fit current conditions could be deleterious. Although adaptive parental responses to single cues have been identified, we lack an understanding of the reversibility of parental effects across breeding cycles in a fluctuating environment. Social status of parents can occasionally fluctuate and, in turn, influence high-fitness pathways available to offspring. We show that social competition status results in robust parental effects on growth in mice. Dominant males produce faster growing offspring because of status related cues, not genetic associations. The timing, effect-size, and sex-specificity of this paternal effect are modulated by maternal experience. We experimentally demonstrate that status-ascending males produce heavier sons than before, and status-descending males produce lighter sons than before. Paternal status predicts genome-wide transcription in the liver, including transcriptional networks controlling xenobiotic and fatty acid metabolism, and oxidative phosphorylation. Our study demonstrates that paternal social status reversibly conditions offspring growth in naturalistic environments.

Several long noncoding RNAs (lncRNAs) have been shown to function as central components of molecular machines that play fundamental roles in biology. While the number of annotated lncRNAs in mammalian genomes has greatly expanded, their functions remain largely uncharacterized. This is compounded by the fact that identifying lncRNA loci that have robust and reproducible phenotypes when mutated has been a challenge. We previously generated a cohort of 20 lncRNA loci knockout mice. Here, we extend our initial study and provide a more detailed analysis of the highly conserved lncRNA locus, Taurine Upregulated Gene 1 (Tug1). We report that Tug1 knockout male mice are sterile with complete penetrance due to a low sperm count and abnormal sperm morphology. Having identified a lncRNA loci with a robust phenotype, we wanted to determine which, if any, potential elements contained in the Tug1 genomic region (DNA, RNA, protein, or the act of transcription) have activity. Using engineered mouse models and cell-based assays, we provide evidence that the Tug1 locus harbors three distinct regulatory activities - two noncoding and one coding: (i) a cis DNA repressor that regulates many neighboring genes, (ii) a lncRNA that can regulate genes by a trans-based function, and finally (iii) Tug1 encodes an evolutionary conserved peptide that when overexpressed impacts mitochondrial membrane potential. Our results reveal an essential role for the Tug1 locus in male fertility and uncover three distinct regulatory activities in the Tug1 locus, thus highlighting the complexity present at lncRNA loci.