The quality of genetically encoded calcium indicators (GECIs) has improved dramatically in recent years, but high-performing ratiometric indicators are still rare. Here we describe a series of fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based calcium biosensors with a reduced number of calcium binding sites per sensor. These 'Twitch' sensors are based on the C-terminal domain of Opsanus troponin C. Their FRET responses were optimized by a large-scale functional screen in bacterial colonies, refined by a secondary screen in rat hippocampal neuron cultures. We tested the in vivo performance of the most sensitive variants in the brain and lymph nodes of mice. The sensitivity of the Twitch sensors matched that of synthetic calcium dyes and allowed visualization of tonic action potential firing in neurons and high resolution functional tracking of T lymphocytes. Given their ratiometric readout, their brightness, large dynamic range and linear response properties, Twitch sensors represent versatile tools for neuroscience and immunology.

The function of somatic stem cells declines with age. Understanding the molecular underpinnings of this decline is key to counteract age-related disease. Here, we report a dramatic drop in the neural stem cells (NSCs) number in the aging murine brain. We find that this smaller stem cell reservoir is protected from full depletion by an increase in quiescence that makes old NSCs more resistant to regenerate the injured brain. Once activated, however, young and old NSCs show similar proliferation and differentiation capacity. Single-cell transcriptomics of NSCs indicate that aging changes NSCs minimally. In the aging brain, niche-derived inflammatory signals and the Wnt antagonist sFRP5 induce quiescence. Indeed, intervention to neutralize them increases activation of old NSCs during homeostasis and following injury. Our study identifies quiescence as a key feature of old NSCs imposed by the niche and uncovers ways to activate NSCs to repair the aging brain.

SUMMARY Autism spectrum disorder (ASD) is a neurodevelopmental disease affecting social behavior. Many of the high-confident ASD risk genes relate to mRNA translation. Specifically, many of these genes are involved in regulation of gene expression for subcellular compartmentalization of proteins 1 . Cis-regulatory motifs that often localize to 3’- and 5’-untranslated regions (UTRs) offer an additional path for posttranscriptional control of gene expression. Alternative cleavage and polyadenylation (APA) affect 3’UTR length thereby influencing the presence or absence of regulatory elements. However, APA has not yet been addressed in the context of neurodevelopmental disorders. Here we used single cell 3’end sequencing to examine changes in 3’UTRs along the differentiation from neural stem cells (NSCs) to neuroblasts within the adult brain. We identified many APA events in genes involved in neurodevelopment, many of them being high confidence ASD risk genes. Further, analysis of 3’UTR lengths in single cells from ASD and healthy individuals detected longer 3’UTRs in ASD patients. Motif analysis of modulated 3’UTRs in the mouse adult neurogenic lineage and ASD-patients revealed enrichment of the cytoplasmic and polyadenylation element (CPE). This motif is bound by CPE binding protein 4 (CPEB4). In human and mouse data sets we observed co-regulation of CPEB4 and the CPEB-binding synaptic adhesion molecule amyloid beta precursor-like protein 1 (APLP1). We show that mice deficient in APLP1 show aberrant regulation of APA, decreased number of neural stem cells, and autistic-like traits. Our findings indicate that APA is used for control of gene expression along neuronal differentiation and is altered in ASD patients.

Cilia perform essential signalling functions during development and tissue homeostasis. Ciliary malfunction causes a variety of diseases, named ciliopathies. The key role that the mother centriole plays in cilia formation can be attributed to appendage proteins that associate exclusively with the mother centriole. The distal appendages form a platform that docks early ciliary vesicles and removes CP110/Cep97 inhibitory complexes from the mother centriole. Here, we analysed the role played by LRRC45 in appendage formation and ciliogenesis. We show that the core appendage proteins Cep83 and SCLT1 recruit LRRC45 to the mother centriole. Once there LRRC45 recruits FBF1. The association of LRRC45 with the basal body of primary and motile cilia in differentiated and stem cells reveals a broad function in ciliogenesis. In contrast to the appendage components Cep164 and Cep123, LRRC45 was neither essential for docking of early ciliary vesicles nor for removal of CP110. Rather, LRRC45 promotes cilia biogenesis in CP110-uncapped centrioles by organising centriolar satellites and promoting the docking of Rab8 GTPase-positive vesicles. We propose that, instead of acting solely as a platform to recruit early vesicles, centriole appendages form discrete scaffolds of cooperating proteins that execute specific functions that promote the initial steps of ciliogenesis.

The contribution of posttranscriptional regulation of gene expression to neural stem cell differentiation during tissue homeostasis remains elusive. Here we show highly dynamic changes in protein synthesis along differentiation of stem cells to neurons in vivo. Examination of individual transcripts using RiboTag mouse models reveals that neural stem cells efficiently translate abundant transcripts, whereas translation becomes increasingly controlled with the onset of differentiation. Stem cell generation of early neuroblasts involves translational repression of a subset of mRNAs including the stem cell-identity factors Sox2 and Pax6 as well as translation machinery components. In silico motif analysis identifies a pyrimidine-rich motif (PRM) in this repressed subset. A drop in mTORC1 activity at the onset of differentiation selectively blocks translation of PRM-containing transcripts. Our data uncovers how a drop in mTORC1 allows robust simultaneous posttranscriptional repression of key stem cell identity-factors and translation-components and thereby stemness exit and migration.