Summary Long noncoding RNAs (lncRNAs) represent a multidimensional class of regulatory molecules involved in many aspects of brain function. Emerging evidence indicates that lncRNAs are expressed at the synapse; however, a direct role for their activity in this subcellular compartment in memory formation has yet to be demonstrated. Using lncRNA capture-seq on synaptosomes, we identified a significant number of lncRNAs that accumulate at synapses within the infralimbic prefrontal cortex of adult male C57/Bl6 mice. Among these is a splice variant related to the stress-associated lncRNA, Gas5. RNA immunoprecipitation followed by mass spectrometry and single molecule imaging revealed that this Gas5 isoform, in association with the RNA binding proteins G3bp2 and Caprin1, regulates the activity-dependent trafficking and clustering of RNA granules in dendrites. In addition, we found that cell-type-specific, state-dependent, and synapse-specific knockdown of the Gas5 variant led to impaired fear extinction memory. These findings identify a new mechanism of fear extinction that involves the dynamic interaction between local lncRNA activity and the coordination of RNA condensates in the synaptic compartment.

Abstract C/D box small nucleolar RNAs (snoRNAs) comprise a class of small noncoding RNAs with important regulatory effects on cellular RNA function. Although it is well established that snoRNAs coordinate the post-transcriptional modification of pre-ribosomal and small nuclear RNAs by 2’-O-methylation, which leads to enhanced RNA stability, whether they are necessary for memory-related processes remains relatively unexplored. Using targeted sequencing, we have identified more than 150 C/D box snoRNAs in the prefrontal cortex of male C57BL/6J mice, 31 of which are differentially expressed in response to fear extinction learning. We have also discovered a subset of snoRNAs, including many orphans, that are enriched in the synaptic compartment, including the orphan snoRNA snord64. An extinction learning-induced increase in synapse-enriched snord64 led to increased 2’-O-methylation within the 3-UTR of the mRNA encoding the ubiquitin ligase RNF146. This effect was blocked by snord64 knockdown and was accompanied by attenuated forgetting of conditioned fear and the enhanced retrieval of fear extinction memory. Localized activity of orphan snoRNAs therefore represents a novel mechanism associated with fear-related learning and memory. Significance statement We have discovered a population of experience-dependent small nucleolar RNAs (snoRNAs), and found that several of these are recruited to the synaptic compartment in response to fear extinction learning. In particular, the orphan snoRNA, snord64, drives the methylation of the mRNA encoding the ubiquitin ligase, RNF146, with a reduction in snord64 attenuating forgetting of conditioned fear and enhancing the retrieval of fear extinction memory. This study reveals a new mechanism of gene regulation associated with fear-related memory that involves the activity of synapse-enriched snoRNAs.

Abstract Circular RNAs (circRNAs) comprise a novel class of regulatory RNAs that are abundant in the brain, particularly within synapses. They are highly stable, dynamically regulated, and display a range of functional roles, including as decoys for miRNAs and proteins and, in some cases, translation. Early work in animal models revealed an association between circRNAs and neurodegenerative and neuropsychiatric disorders; however, relatively few studies have shown a causal link between circRNA function and memory. To address this knowledge gap, we sequenced circRNAs in the synaptosome compartment of the medial prefrontal cortex of fear extinction trained male C57BL/6J mice and found 12837 circRNAs enriched at the synapse, including Cdr1as . Targeted knockdown of Cdr1as in the neural processes of the infralimbic prefrontal cortex of male C57BL/6J mice led to impaired fear extinction memory. Altogether, our findings highlight the importance of localised circRNA activity at the synapse for memory formation and suggest that circRNAs may have a more widespread effect on brain function than previously thought.

We have identified a member of the Growth arrest and DNA damage (Gadd45) family, Gadd45g, which is known to be involved in the regulation of DNA repair, as a key player in the formation of associative fear memory. Gadd45g regulates the temporal dynamics of learning-induced immediate early gene (IEG) expression in the prelimbic prefrontal cortex through its interaction with DNA double-strand break (DSB)-mediated changes in DNA methylation. Our findings suggest a two-hit model of experience-dependent IEG activity and learning that comprises 1) a first wave of IEG expression governed by DSBs followed by an increase in DNA methylation, and 2) a second wave of IEG expression associated with Gadd45g and active DNA demethylation at the same site, which is necessary for memory consolidation.

Epigenetic regulation of activity-induced gene expression involves multiple levels of molecular interaction, including histone and DNA modifications, as well as mechanisms of DNA repair. Here we demonstrate that the genome-wide deposition of Inhibitor of growth family member 1 (ING1), which is a central epigenetic regulatory protein, is dynamically regulated in response to activity in primary cortical neurons. ING1 knockdown leads to decreased expression of genes related to synaptic plasticity, including the regulatory subunit of calcineurin, Ppp3r1. In addition, ING1 binding at a site upstream of the transcription start site (TSS) of Ppp3r1 depends on yet another group of neuroepigenetic regulatory proteins, the Piwi-like family, which are also involved in DNA repair. These findings provide new insight into a novel mode of activity-induced gene expression, which involves the interaction between different epigenetic regulatory mechanisms traditionally associated with gene repression and DNA repair.

The Piwi pathway is a conserved gene regulatory mechanism comprised of Piwi-like proteins and Piwi-interacting RNAs, which modulates gene expression via RNA interference and epigenetic mechanisms. The mammalian Piwi pathway has been defined by its role in transposon control during spermatogenesis, and despite an increasing number of studies demonstrating its expression in the nervous system, relatively little is known about its function in neurons or potential contribution to gene regulation in the brain. We have discovered that all three Piwi-like genes are expressed in several regions of the mouse brain, and that simultaneous knockdown of Piwil1 and Piwil2 in the adult mouse hippocampus enhances contextual fear memory without affecting generalised anxiety. Our results implicate the Piwi pathway in control of plasticity-related gene expression in the adult mammalian brain.

Here we report that the recently discovered mammalian DNA modification N6-methyl-2-deoxyadenosine (m6dA) is dynamically regulated in primary cortical neurons, and accumulates along promoters and coding sequences within the genome of activated prefrontal cortical neurons of adult C57/Bl6 mice in response to fear extinction learning. The deposition of m6dA is generally associated with increased genome-wide occupancy of the mammalian m6dA methyltransferase, N6amt1, and this correlates with fear extinction learning-induced gene expression. Of particular relevance for fear extinction memory, the accumulation of m6dA is associated with an active chromatin state and the recruitment of transcriptional machinery to the brain-derived neurotrophic factor (Bdnf) P4 promoter, which is required for Bdnf exon IV mRNA expression and for the extinction of conditioned fear. These results expand the scope of DNA modifications in the adult brain and highlight changes in m6dA as a novel neuroepigenetic mechanism associated with activity-induced gene expression and the formation of fear extinction memory.

The RNA modification N6-methyladenosine (m6A) is critically involved in the regulation of gene activity underlying experience-dependent plasticity, and is necessary for the functional interplay between RNA and RNA binding proteins (RBPs) in the nucleus. However, the complete repertoire of m6A-modified RNA interacting RBPs in the synaptic compartment, and whether they are involved in fear extinction, have yet to be revealed. Using RNA immunoprecipitation followed by mass spectrometry, we discovered 12 novel, synapse-specific, learning-induced m6A readers in the medial prefrontal cortex of male C57/B6 mice. m6A RNA-sequencing also revealed a unique population of learning-related m6A-modified RNAs at the synapse, which includes a variant of the long non-coding RNA (lncRNA) metastasis associated lung adenocarcinoma transcript 1 (Malat1). m6A-modified Malat1 binds to a subset of novel m6A readers, including cytoplasmic FMR1 interacting protein 2 (CYFIP2) and dihydropyrimidase-related protein 2 (DPYSL2) and a cell-type-specific, state-dependent, and synapse-specific reduction in m6A-modified Malat1 disrupts the interaction between Malat1 and DPYSL2 and impairs fear extinction. The consolidation of fear-extinction memory therefore relies on an interaction between m6A-modified Malat1 and select RBPs in the synaptic compartment.

Abstract The conformational state of DNA fine-tunes the transcriptional rate and abundance of RNA. Here we report that DNA G-quadruplex (G4-DNA) accumulates in neurons in an experience-dependent manner, and that this is required for the transient silencing and activation of genes that are critically involved in learning and memory. In addition, site-specific resolution of G4-DNA by dCas9-mediated deposition of the helicase DHX36 impairs fear extinction memory. Dynamic DNA structure states therefore represent a key molecular mechanism underlying memory consolidation. One-Sentence Summary G4-DNA is a molecular switch that enables the temporal regulation of the gene expression underlying the formation of fear extinction memory.

RNA modification has recently emerged as an important mechanism underlying gene diversity linked to behavioral regulation. The conversion of adenosine to inosine by the ADAR family of enzymes is a particularly important RNA modification as it impacts the physiological readout of protein-coding genes. However, not all variants of ADAR appear to act solely on RNA. ADAR1 binds directly to DNA when it is in a non-canonical, left handed, Z conformation, but little is known about the functional relevance of this interaction. Here we report that ADAR1 binds to Z-DNA in an activity-dependent manner and that fear extinction learning leads to increased ADAR1 occupancy at DNA repetitive elements, with targets adopting a Z-DNA structure at sites of ADAR1 recruitment. Knockdown of ADAR1 leads to an inability to modify a previously acquired memory trace and this is associated with a concomitant change in DNA structure and a decrease in RNA editing. These findings suggest a novel mechanism of learning-induced gene regulation whereby ADAR1 physically interacts with Z-DNA in order to mediate its effect on RNA, and both are required for memory flexibility following fear extinction learning.