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 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.

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.