Microglia are increasingly recognized for their major contributions during brain development and neurodegenerative disease. It is currently unknown whether these functions are carried out by subsets of microglia during different stages of development and adulthood or within specific brain regions. Here, we performed deep single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of microglia and related myeloid cells sorted from various regions of embryonic, early postnatal, and adult mouse brains. We found that the majority of adult microglia expressing homeostatic genes are remarkably similar in transcriptomes, regardless of brain region. By contrast, early postnatal microglia are more heterogeneous. We discovered a proliferative-region-associated microglia (PAM) subset, mainly found in developing white matter, that shares a characteristic gene signature with degenerative disease-associated microglia (DAM). Such PAM have amoeboid morphology, are metabolically active, and phagocytose newly formed oligodendrocytes. This scRNA-seq atlas will be a valuable resource for dissecting innate immune functions in health and disease.

Abnormal NFκB activation has been implicated in Alzheimer’s disease (AD). However, the signaling pathways governing NFκB regulation and function in the brain are poorly understood. We identify complement protein C3 as an astroglial target of NFκB and show that C3 release acts through neuronal C3aR to disrupt dendritic morphology and network function. Exposure to Aβ activates astroglial NFκB and C3 release, consistent with the high levels of C3 expression in brain tissue from AD patients and APP transgenic mice, where C3aR antagonist treatment rescues cognitive impairment. Therefore, dysregulation of neuron-glia interaction through NFκB/C3/C3aR signaling may contribute to synaptic dysfunction in AD, and C3aR antagonists may be therapeutically beneficial.

Accurate motion detection requires neural circuitry that compensates for global visual field motion. Select subtypes of retinal ganglion cells perceive image motion and connect to the accessory optic system (AOS) in the brain, which generates compensatory eye movements that stabilize images during slow visual field motion. Here, we show that the murine transmembrane semaphorin 6A (Sema6A) is expressed in a subset of On direction-selective ganglion cells (On DSGCs) and is required for retinorecipient axonal targeting to the medial terminal nucleus (MTN) of the AOS. Plexin A2 and A4, two Sema6A binding partners, are expressed in MTN cells, attract Sema6A(+) On DSGC axons, and mediate MTN targeting of Sema6A(+) RGC projections. Furthermore, Sema6A/Plexin-A2/A4 signaling is required for the functional output of the AOS. These data reveal molecular mechanisms underlying the assembly of AOS circuits critical for moving image perception.

Summary Microglia are increasingly recognized for their major contributions during brain development and neurodegenerative disease. It is currently unknown if these functions are carried out by subsets of microglia during different stages of development and adulthood or within specific brain regions. Here, we performed deep single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of microglia and related myeloid cells sorted from various regions of embryonic, postnatal, and adult mouse brains. We found that the majority of adult microglia with homeostatic signatures are remarkably similar in transcriptomes, regardless of brain region. By contrast, postnatal microglia represent a more heterogeneous population. We discovered that postnatal white matter-associated microglia (WAM) are strikingly different from microglia in other regions and express genes enriched in degenerative disease-associated microglia. These postnatal WAM have distinct amoeboid morphology, are metabolically active, and phagocytose newly formed oligodendrocytes. This scRNA-seq atlas will be a valuable resource for dissecting innate immune functions in health and disease. Highlights Myeloid scRNA-seq atlas across brain regions and developmental stages Limited transcriptomic heterogeneity of homeostatic microglia in the adult brain Phase-specific gene sets of proliferating microglia along cell cycle pseudotime Phagocytic postnatal white matter-associated microglia sharing DAM gene signatures

Summary In the developing central nervous system, oligodendrocyte precursor cells (OPCs) differentiate into oligodendrocytes, which form myelin around axons. Oligodendrocytes and myelin are essential for the function of the central nervous system, as evidenced by the severe neurological symptoms that arise in demyelinating diseases such as multiple sclerosis and leukodystrophy. Although many cell-intrinsic mechanisms that regulate oligodendrocyte development and myelination have been reported, it remains unclear whether interactions among oligodendrocyte-lineage cells (OPCs and oligodendrocytes) affect oligodendrocyte development and myelination. Here, we show that blocking vesicle-associated membrane protein (VAMP) 1/2/3-dependent exocytosis from oligodendrocyte-lineage cells impairs oligodendrocyte development, myelination, and motor behavior in mice. Adding oligodendrocyte-lineage cell-secreted molecules to secretion-deficient OPC cultures partially restores the morphological maturation of oligodendrocytes. Moreover, we identified L-type prostaglandin D synthase as an oligodendrocyte-lineage cell-secreted protein that promotes oligodendrocyte development and myelination in vivo . These findings reveal a novel autocrine/paracrine loop model for the regulation of oligodendrocyte and myelin development.

Oligodendrocytes are the sole myelin producing cells in the central nervous system. Oligodendrocyte numbers are tightly controlled across diverse brain regions to match local axon type and number, but the underlying mechanisms and functional significance remain unclear. Here, we show that autophagy, an evolutionarily conserved cellular process that promotes cell survival under canonical settings, elicits premyelinating oligodendrocyte apoptosis during development and regulates critical aspects of nerve pulse propagation. Autophagy flux is increased in premyelinating oligodendrocytes, and its genetic blockage causes ectopic oligodendrocyte survival throughout the entire brain. Autophagy acts in the TFEB-Bax/Bak pathway and elevates PUMA mRNA levels to trigger premyelinating oligodendrocyte apoptosis cell-autonomously. Autophagy continuously functions in the myelinating oligodendrocytes to limit myelin sheath numbers and fine-tune nerve pulse propagation. Our results provide in vivo evidence showing that autophagy promotes apoptosis in mammalian cells under physiological conditions and reveal key intrinsic mechanisms governing oligodendrocyte number.Autophagy flux increases in the premyelinating and myelinating oligodendrocytesAutophagy promotes premyelinating oligodendrocyte (pre-OL) apoptosis to control myelination location and timing Autophagy acts in the TFEB-PUMA-Bax/Bak pathway and elevates PUMA mRNA levels to determine pre-OL fate Autophagy continuously functions in the myelinating oligodendrocytes to limit myelin sheath thickness and finetune nerve pulse propagation.

Chronic inflammation is driven by proinflammatory cytokines such as interleukin 6 (IL-6), tumor necrosis factor-α (TNF-α), and chemokines, such as c-c motif chemokine ligand 2 (CCL2), CCL3, C-X-C motif chemokine ligand 2 (CXCL2), and CXCL10. Inflammatory processes of the central nervous system (CNS) play an important role in the pathogenesis of various neurological and psychiatric disorders like Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and depression. Therefore, identifying novel anti-inflammatory drugs may be beneficial for treating disorders with a neuroinflammatory background. The G-protein-coupled receptor 55 (GPR55) gained interest due to its role in inflammatory processes and possible involvement in different disorders. This study aims to identify the anti-inflammatory effects of the coumarin-based compound KIT C, acting as an antagonist with inverse agonistic activity at GPR55, in lipopolysaccharide (LPS)-stimulated BV2 microglial cells in comparison to the commercial GPR55 agonist O-1602 and antagonist ML-193. All compounds significantly suppressed IL-6, TNF-α, CCL2, CCL3, CXCL2, and CXCL10 expression and release in LPS-treated BV2 microglial cells. The anti-inflammatory effects of the compounds are partially explained by modulation of the phosphorylation of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), p42/44 MAPK (ERK 1/2), protein kinase C (PKC) pathways, and the transcription factor nuclear factor (NF)-κB, respectively. Due to its potent anti-inflammatory properties, KIT C is a promising compound for further research and potential use in inflammatory-related disorders.

The clinical application of doxorubicin (DOX) was limited by the serious cardiotoxicity. The traditional Chinese medicine Andrographis paniculata and its principal active component (Dehydroandrographolide, DA) have been well known for their diverse cardiovascular protective effects. However, the effects of DA on DOX-induced cardiotoxicity (DIC) were still unknown. In this study, we evaluated the effects and revealed the potential mechanisms of DA on DIC both in vivo and in vitro. The effects of DA on DIC were systematically assessed by echocardiography and histological assays. Western blot and flow cytometry were used to measure apoptosis of cardiomyocytes. Transmission electron microscopy and StubRFP-SensGFP-LC3 lentivirus were further used to assay autophagic flux. Our results showed that DA administration significantly improved cardiac function and attenuated DOX-induced cardiomyocyte apoptosis. Mechanically, DA restored autophagic flux and lysosome functions via inhibiting DOX-induced mTOR signal pathway activation and increasing the translocation of TFEB to the nucleus. However, activation of mTOR or knockdown of TFEB significantly inhibited the protective effects of DA against DIC by impacting lysosomal functions and autophagic flux. In conclusion, our results revealed that DA might be a potential cardioprotective agent against DIC.

Pharmacological treatment of psychiatric disorders remains challenging in clinical, pharmacological, and scientific practice. Even if many different substances are established for treating different psychiatric conditions, subgroups of patients show only small or no response to the treatment. The neuroinflammatory hypothesis of the genesis of psychiatric disorders might explain underlying mechanisms in these non-responders. For that reason, recent research focus on neuroinflammatory processes and oxidative stress as possible causes of psychiatric disorders. G-protein coupled receptors (GPCRs) form the biggest superfamily of membrane-bound receptors and are already well known as pharmacological targets in various diseases. The G-protein coupled receptor 55 (GPR55), a receptor considered part of the endocannabinoid system, reveals promising modulation of neuroinflammatory and oxidative processes. Different agonists and antagonists reduce pro-inflammatory cytokine release, enhance the synthesis of anti-inflammatory mediators, and protect cells from oxidative damage. For this reason, GPR55 ligands might be promising compounds in treating subgroups of patients suffering from psychiatric disorders related to neuroinflammation or oxidative stress. New approaches in drug design might lead to new compounds targeting different pathomechanisms of those disorders in just one molecule.