Fragile X syndrome, the most common inherited form of human mental retardation, is caused by mutations of the Fmr1 gene that encodes the fragile X mental retardation protein (FMRP). Biochemical evidence indicates that FMRP binds a subset of mRNAs and acts as a regulator of translation. However, the consequences of FMRP loss on neuronal function in mammals remain unknown. Here we show that a form of protein synthesis-dependent synaptic plasticity, long-term depression triggered by activation of metabotropic glutamate receptors, is selectively enhanced in the hippocampus of mutant mice lacking FMRP. This finding indicates that FMRP plays an important functional role in regulating activity-dependent synaptic plasticity in the brain and suggests new therapeutic approaches for fragile X syndrome.

Fragile X syndrome results from the absence of the RNA binding FMR protein. Here, mRNA was coimmunoprecipitated with the FMRP ribonucleoprotein complex and used to interrogate microarrays. We identified 432 associated mRNAs from mouse brain. Quantitative RT-PCR confirmed some to be >60-fold enriched in the immunoprecipitant. In parallel studies, mRNAs from polyribosomes of fragile X cells were used to probe microarrays. Despite equivalent cytoplasmic abundance, 251 mRNAs had an abnormal polyribosome profile in the absence of FMRP. Although this represents <2% of the total messages, 50% of the coimmunoprecipitated mRNAs with expressed human orthologs were found in this group. Nearly 70% of those transcripts found in both studies contain a G quartet structure, demonstrated as an in vitro FMRP target. We conclude that translational dysregulation of mRNAs normally associated with FMRP may be the proximal cause of fragile X syndrome, and we identify candidate genes relevant to this phenotype.

Loss of fragile X mental retardation protein (FMRP) function causes the fragile X mental retardation syndrome. FMRP harbors three RNA binding domains, associates with polysomes, and is thought to regulate mRNA translation and/or localization, but the RNAs to which it binds are unknown. We have used RNA selection to demonstrate that the FMRP RGG box binds intramolecular G quartets. This data allowed us to identify mRNAs encoding proteins involved in synaptic or developmental neurobiology that harbor FMRP binding elements. The majority of these mRNAs have an altered polysome association in fragile X patient cells. These data demonstrate that G quartets serve as physiologically relevant targets for FMRP and identify mRNAs whose dysregulation may underlie human mental retardation.

DNA sequences have been located at the fragile X site by in situ hybridization and by the mapping of breakpoints in two somatic cell hybrids that were constructed to break at the fragile site. These hybrids were found to have breakpoints in a common 5-kilobase Eco RI restriction fragment. When this fragment was used as a probe on the chromosomal DNA of normal and fragile X genotype individuals, alterations in the mobility of the sequences detected by the probe were found only in fragile X genotype DNA. These sequences were of an increased size in all fragile X individuals and varied within families, indicating that the region was unstable. This probe provides a means with which to analyze fragile X pedigrees and is a diagnostic reagent for the fragile X genotype.

Fragile X syndrome is the result of transcriptional suppression of the gene FMR1 as a result of a trinucleotide repeat expansion mutation. The normal function of the FMR1 protein (FMRP) and the mechanism by which its absence leads to mental retardation are unknown. Ribonucleoprotein particle (RNP) domains were identified within FMRP, and RNA was shown to bind in stoichiometric ratios, which suggests that there are two RNA binding sites per FMRP molecule. FMRP was able to bind to its own message with high affinity (dissociation constant = 5.7 nM) and interacted with approximately 4 percent of human fetal brain messages. The absence of the normal interaction of FMRP with a subset of RNA molecules might result in the pleiotropic phenotype associated with fragile X syndrome.

Sialic acids are important cell-surface molecules of animals in the deuterostome lineage. Although humans do not express easily detectable amounts of N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc, a hydroxylated form of the common sialic acid N-acetylneuraminic acid, Neu5Ac), it is a major component in great ape tissues, except in the brain. This difference correlates with lack of the hydroxylase activity that converts CMP-Neu5Ac to CMP-Neu5Gc. Here we report cloning of human and chimpanzee hydroxylase cDNAs. Although this chimpanzee cDNA is similar to the murine homologue, the human cDNA contains a 92-bp deletion resulting in a frameshift mutation. The isolated human gene also shows evidence for this deletion. Genomic PCR analysis indicates that this deletion does not occur in any of the African great apes. The gene is localized to 6p22-p23 in both humans and great apes, which does not correspond to known chromosomal rearrangements that occurred during hominoid evolution. Thus, the lineage leading to modern humans suffered a mutation sometime after the common ancestor with the chimpanzee and bonobo, potentially affecting recognition by a variety of endogenous and exogenous sialic acid-binding lectins. Also, the expression of Neu5Gc previously reported in human fetuses and tumors as well as the traces detected in some normal adult humans must be mediated by an alternate pathway.

Fragile X syndrome, a leading cause of inherited mental retardation, is attributable to the unstable expansion of a CGG-repeat within the FMR1 gene that results in the absence of the encoded protein. The fragile X mental retardation protein (FMRP) is a ribosome-associated RNA-binding protein of uncertain function that contains nuclear localization and export signals. We show here detailed cellular localization studies using both biochemical and immunocytochemical approaches. FMRP was highly expressed in neurons but not glia throughout the rat brain, as detected by light microscopy. Although certain structures, such as hippocampus, revealed a strong signal, the regional variation in staining intensity appeared to be related to neuron size and density. In human cell lines and mouse brain, FMRP co-fractionated primarily with polysomes and rough endoplasmic reticulum. Ultrastructural studies in rat brain revealed high levels of FMRP immunoreactivity in neuronal perikarya, where it is concentrated in regions rich in ribosomes, particularly near or between rough endoplasmic reticulum cisternae. Immunogold studies also provided evidence of nucleocytoplasmic shuttling of FMRP, which was localized in neuronal nucleoplasm and within nuclear pores. Moreover, labeling was observed in large- and small-caliber dendrites, in dendritic branch points, at the origins of spine necks, and in spine heads, all known locations of neuronal polysomes. Dendritic localization, which was confirmed by co-fractionation of FMRP with synaptosomal ribosomes, suggests a possible role of FMRP in the translation of proteins involved in dendritic structure or function and relevant for the mental retardation occurring in fragile X syndrome.