Abstract. To determine whether the p75 neurotrophin receptor (p75NTR) plays a role in naturally occurring neuronal death, we examined neonatal sympathetic neurons that express both the TrkA tyrosine kinase receptor and p75NTR. When sympathetic neuron survival is maintained with low quantities of NGF or KCl, the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF), which does not activate Trk receptors on sympathetic neurons, causes neuronal apoptosis and increased phosphorylation of c-jun. Function-blocking antibody studies indicate that this apoptosis is due to BDNF-mediated activation of p75NTR. To determine the physiological relevance of these culture findings, we examined sympathetic neurons in BDNF−/− and p75NTR−/− mice. In BDNF−/− mice, sympathetic neuron number is increased relative to BDNF+/+ littermates, and in p75NTR−/− mice, the normal period of sympathetic neuron death does not occur, with neuronal attrition occurring later in life. This deficit in apoptosis is intrinsic to sympathetic neurons, since cultured p75NTR−/− neurons die more slowly than do their wild-type counterparts. Together, these data indicate that p75NTR can signal to mediate apoptosis, and that this mechanism is essential for naturally occurring sympathetic neuron death.

Hyperinsulinemia is associated with obesity and pancreatic islet hyperplasia, but whether insulin causes these phenomena or is a compensatory response has remained unsettled for decades. We examined the role of insulin hypersecretion in diet-induced obesity by varying the pancreas-specific Ins1 gene dosage in mice lacking Ins2 gene expression in the pancreas, thymus, and brain. Age-dependent increases in fasting insulin and β cell mass were absent in Ins1+/−:Ins2−/− mice fed a high-fat diet when compared to Ins1+/+:Ins2−/− littermate controls. Remarkably, Ins1+/−:Ins2−/− mice were completely protected from diet-induced obesity. Genetic prevention of chronic hyperinsulinemia in this model reprogrammed white adipose tissue to express uncoupling protein 1 and increase energy expenditure. Normalization of adipocyte size and activation of energy expenditure genes in white adipose tissue was associated with reduced inflammation, reduced fatty acid spillover, and reduced hepatic steatosis. Thus, we provide genetic evidence that pathological circulating hyperinsulinemia drives diet-induced obesity and its complications.

ABSTRACT Palmitoylation is the most common post-translational lipid modification in the brain; however, the role of palmitoylation and palmitoylating enzymes in the nervous system remains elusive. One of these enzymes, Zdhhc5, has previously been shown to regulate synapse plasticity. Here, we report that Zdhhc5 is also essential for the formation of excitatory, but not inhibitory synapses both in vitro and in vivo . We demonstrate in vitro that this is dependent on Zdhhc5’s enzymatic activity, its localization at the plasma membrane, and its C-terminal domain which has been shown to be truncated in a patient with schizophrenia. Loss of Zdhhc5 in mice results in a decrease in the density of excitatory hippocampal synapses accompanied by alterations in membrane capacitance and synaptic currents, consistent with an overall decrease in spine number and silent synapses. These findings reveal an important role for Zdhhc5 in the formation and/or maintenance of excitatory synapses.

Abstract Protein S -palmitoylation is a reversible post-translational lipid modification that plays a critical role in neuronal development and plasticity, while dysregulated S -palmitoylation underlies a number of severe neurological disorders. Dynamic S -palmitoylation is regulated by a large family of ZDHHC palmitoylating enzymes, their accessory proteins, and a small number of known de-palmitoylating enzymes. Here, we curated and analyzed expression data for the proteins that mediate S -palmitoylation from publicly available RNAseq datasets, providing a comprehensive overview of their distribution in the mouse nervous system. We developed a web-tool that enables interactive visualization of the expression patterns for these proteins in the nervous system ( http://brainpalmseq.med.ubc.ca/ ), and explored this resource to find region and cell-type specific expression patterns that give insight into the function of palmitoylating and de-palmitoylating enzymes in the brain and neurological disorders. We found coordinated expression of ZDHHC enzymes with their accessory proteins, de-palmitoylating enzymes and other brain-expressed genes that included an enrichment of S -palmitoylation substrates. Finally, we utilized ZDHHC expression patterns to predict and validate palmitoylating enzyme-substrate interactions.

SUMMARY Two percent of all patients with X-linked intellectual disability (XLID) exhibit loss-of-function mutations in the palmitoylating enzyme, ZDHHC9 1, 2 . One of the main anatomical deficits observed in these patients is a decrease in corpus callosum volume and a disruption of white matter integrity 3–6 . We demonstrated that ablation of Zdhhc9 in mice substantially impairs the maturation of oligodendrocytes, resulting in fewer mature, myelinating oligodendrocytes, higher numbers of oligodendrocyte progenitor cells and a decrease in the density of myelinated axons. Ultrastructural analysis of the remaining myelinated axons in the corpus callosum revealed further disruptions in myelin integrity. RNA sequencing and proteomic analyses revealed a concomitant decrease in the expression of genes and proteins involved in lipid metabolism, cholesterol synthesis and myelin compaction. These results reveal a previously underappreciated and fundamental role for ZDHHC9 and protein palmitoylation in regulating oligodendrocyte differentiation and myelinogenesis and provide mechanistic insights into the deficits observed in white matter volume in patients with mutations in ZDHHC9 .

Functional variomics provides the foundation for personalized medicine by linking genetic variation to disease expression, outcome and treatment, yet its utility is dependent on appropriate assays to evaluate mutation impact on protein function. To fully assess the effects of 106 missense and nonsense variants of PTEN associated with autism spectrum disorder, somatic cancer and PHTS, we take a deep phenotypic profiling approach using 18 assays in 5 model systems spanning diverse cellular environments ranging from molecular function to neuronal morphogenesis and behavior. Variants inducing instability occurred across the protein, resulting in partial to complete loss of function (LoF), which was well correlated across models. However, assays were selectively sensitive to variants located in substrate binding and catalytic domains, which exhibited complete LoF or dominant negativity independent of effects on stability. Our results indicate that full characterization of variant impact requires assays sensitive to instability and a range of protein functions.

Abstract Activity-induced changes in protein palmitoylation can regulate the plasticity of synaptic connections, critically impacting learning and memory. Palmitoylation is a reversible post-translational modification regulated by both palmitoyl-acyl transferases that mediate palmitoylation and palmitoyl thioesterases that depalmitoylate proteins. However, it is not clear how fluctuations in synaptic activity can mediate the dynamic palmitoylation of neuronal proteins. Using primary hippocampal cultures, we demonstrate that synaptic activity does not impact the transcription of palmitoylating / depalmitoylating enzymes, changes in thioesterase activity, nor post-translational modification of the depalmitoylating enzymes, ABHD17 and APT2. In contrast, synaptic activity does mediate post-translational modification of the palmitoylating enzymes ZDHHC2, ZDHHC5, and ZDHHC9 (but not ZDHHC8) to influence protein-protein interaction, enzyme stability and enzyme function. Post-translational modifications of ZDHHC enzymes were also observed in the hippocampus following fear conditioning. Together, our findings demonstrate that signaling events activated by synaptic activity largely impact activity of the ZDHHC family of palmitoyl-acyl transferases with less influence on the activity of palmitoyl thioesterases.

Abstract Mutations in the X-linked ZDHHC9 gene cause cognitive deficits in humans, with a subset of patients suffering from epilepsy. X-linked intellectual disability (XLID) is often ascribed to neuronal deficits, but here we report that expression of human and mouse ZDHHC9 orthologs is far higher in myelinating oligodendrocytes (OLs) than in other CNS cell types. ZDHHC9 codes for a protein acyltransferase (PAT), and we found that ZDHHC9 is the most highly expressed PAT in OLs. Wild type ZDHHC9 localizes to Golgi outposts in OL processes, but other PATs and XLID mutant forms of ZDHHC9 are restricted to OL cell bodies,. Using genetic tools for OL progenitor fate tracing and sparse cell labeling, we show that mice lacking Zdhhc9 have grossly normal OL development but display extensive morphological and structural myelin abnormalities. These deficits are OL-autonomous, as they are broadly phenocopied by acute Zdhhc9 knockdown in cultured conditions. Finally, we found that ZDHHC9 palmitoylates Myelin Basic Protein (MBP) in heterologous cells, and that palmitoylation of MBP is impaired in the Zdhhc9 knockout brain. Our findings provide critical insights into the mechanisms of ZDHHC9 -associated XLID and shed new light on the palmitoylation-dependent control of myelination.