Summary

 The functional and molecular similarities and distinctions between human and murine astrocytes are poorly understood. Here, we report the development of an immunopanning method to acutely purify astrocytes from fetal, juvenile, and adult human brains and to maintain these cells in serum-free cultures. We found that human astrocytes have abilities similar to those of murine astrocytes in promoting neuronal survival, inducing functional synapse formation, and engulfing synaptosomes. In contrast to existing observations in mice, we found that mature human astrocytes respond robustly to glutamate. Next, we performed RNA sequencing of healthy human astrocytes along with astrocytes from epileptic and tumor foci and compared these to human neurons, oligodendrocytes, microglia, and endothelial cells (available at http://www.brainrnaseq.org). With these profiles, we identified novel human-specific astrocyte genes and discovered a transcriptome-wide transformation between astrocyte precursor cells and mature post-mitotic astrocytes. These data represent some of the first cell-type-specific molecular profiles of the healthy and diseased human brain.

On-Demand Activity Oligodendroglia ensheath axons in the brain with myelin, which provides the insulation that speeds up transmission of neuronal electrical impulses. The process of myelination in the human brain goes on for decades, concurrent with all manner of brain development and cognitive activity. Gibson et al. (p. 10.1126/science.1252304 , published online 10 April; see the Perspective by Bechler and ffrench-Constant ) used optogenetics to study myelination in response to neural activity. Electrical activity in the motor cortex of the brain of awake mice led to proliferation and differentiation of oligodendrocytes and consequently increased myelination and alterations in motor response.

Manganese superoxide dismutase (SOD2) converts superoxide to oxygen plus hydrogen peroxide and serves as the primary defense against mitochondrial superoxide. Impaired SOD2 activity in humans has been associated with several chronic diseases, including ovarian cancer and type I diabetes, and SOD2 overexpression appears to suppress malignancy in cultured cells. We have produced a line of SOD2 knockout mice (SOD2m1BCM/SOD2m1BCM) that survive up to 3 weeks of age and exhibit several novel pathologic phenotypes including severe anemia, degeneration of neurons in the basal ganglia and brainstem, and progressive motor disturbances characterized by weakness, rapid fatigue, and circling behavior. In addition, SOD2m1BCM/SOD2m1BCM mice older than 7 days exhibit extensive mitochondrial injury within degenerating neurons and cardiac myocytes. Approximately 10% of SOD2m1BCM/SOD2m1BCM mice exhibit markedly enlarged and dilated hearts. These observations indicate that SOD2 deficiency causes increased susceptibility to oxidative mitochondrial injury in central nervous system neurons, cardiac myocytes, and other metabolically active tissues after postnatal exposure to ambient oxygen concentrations. Our SOD2-deficient mice differ from a recently described model in which homozygotes die within the first 5 days of life with severe cardiomyopathy and do not exhibit motor disturbances, central nervous system injury, or ultrastructural evidence of mitochondrial injury.

High-grade gliomas are lethal brain cancers whose progression is robustly regulated by neuronal activity. Activity-regulated release of growth factors promotes glioma growth, but this alone is insufficient to explain the effect that neuronal activity exerts on glioma progression. Here we show that neuron and glioma interactions include electrochemical communication through bona fide AMPA receptor-dependent neuron–glioma synapses. Neuronal activity also evokes non-synaptic activity-dependent potassium currents that are amplified by gap junction-mediated tumour interconnections, forming an electrically coupled network. Depolarization of glioma membranes assessed by in vivo optogenetics promotes proliferation, whereas pharmacologically or genetically blocking electrochemical signalling inhibits the growth of glioma xenografts and extends mouse survival. Emphasizing the positive feedback mechanisms by which gliomas increase neuronal excitability and thus activity-regulated glioma growth, human intraoperative electrocorticography demonstrates increased cortical excitability in the glioma-infiltrated brain. Together, these findings indicate that synaptic and electrical integration into neural circuits promotes glioma progression. Neurons form synapses onto glioma cells, and depolarization of glioma membranes promotes glioma growth in vivo, whereas blocking electrochemical signalling blocks tumour growth.

Mutations in Pink1 , a gene encoding a Ser/Thr kinase with a mitochondrial-targeting signal, are associated with Parkinson’s disease (PD), the most common movement disorder characterized by selective loss of dopaminergic neurons. The mechanism by which loss of Pink1 leads to neurodegeneration is not understood. Here we show that inhibition of Drosophila Pink1 (dPink1) function results in energy depletion, shortened lifespan, and degeneration of select indirect flight muscles and dopaminergic neurons. The muscle pathology was preceded by mitochondrial enlargement and disintegration. These phenotypes could be rescued by the wild type but not the pathogenic C-terminal deleted form of human Pink1 (hPink1). The muscle and dopaminergic phenotypes associated with dPink1 inactivation show similarity to that seen in parkin mutant flies and could be suppressed by the overexpression of Parkin but not DJ-1. Consistent with the genetic rescue results, we find that, in dPink1 RNA interference (RNAi) animals, the level of Parkin protein is significantly reduced. Together, these results implicate Pink1 and Parkin in a common pathway that regulates mitochondrial physiology and cell survival in Drosophila .

Despite the high doses of radiation delivered in the treatment of patients with glioblastoma multiforme (GBM), the tumors invariably recur within the irradiation field, resulting in a low cure rate. Understanding the mechanism of such recurrence is therefore important. Here we have shown in an intracranial GBM xenograft model that irradiation induces recruitment of bone marrow–derived cells (BMDCs) into the tumors, restoring the radiation-damaged vasculature by vasculogenesis and thereby allowing the growth of surviving tumor cells. BMDC influx was initiated by induction of HIF-1 in the irradiated tumors, and blocking this influx prevented tumor recurrence. Previous studies have indicated that BMDCs are recruited to tumors in part through the interaction between the HIF-1–dependent stromal cell–derived factor–1 (SDF-1) and its receptor, CXCR4. Pharmacologic inhibition of HIF-1 or of the SDF-1/CXCR4 interaction prevented the influx of BMDCs, primarily CD11b+ myelomonocytes, and the postirradiation development of functional tumor vasculature, resulting in abrogation of tumor regrowth. Similar results were found using neutralizing antibodies against CXCR4. Our data therefore suggest a novel approach for the treatment of GBM: in addition to radiotherapy, the vasculogenesis pathway needs to be blocked, and this can be accomplished using the clinically approved drug AMD3100, a small molecule inhibitor of SDF-1/CXCR4 interactions.

Summary

 Active neurons exert a mitogenic effect on normal neural precursor and oligodendroglial precursor cells, the putative cellular origins of high-grade glioma (HGG). By using optogenetic control of cortical neuronal activity in a patient-derived pediatric glioblastoma xenograft model, we demonstrate that active neurons similarly promote HGG proliferation and growth in vivo. Conditioned medium from optogenetically stimulated cortical slices promoted proliferation of pediatric and adult patient-derived HGG cultures, indicating secretion of activity-regulated mitogen(s). The synaptic protein neuroligin-3 (NLGN3) was identified as the leading candidate mitogen, and soluble NLGN3 was sufficient and necessary to promote robust HGG cell proliferation. NLGN3 induced PI3K-mTOR pathway activity and feedforward expression of NLGN3 in glioma cells. NLGN3 expression levels in human HGG negatively correlated with patient overall survival. These findings indicate the important role of active neurons in the brain tumor microenvironment and identify secreted NLGN3 as an unexpected mechanism promoting neuronal activity-regulated cancer growth.

Cancer cell of origin is difficult to identify by analyzing cells within terminal stage tumors, whose identity could be concealed by the acquired plasticity. Thus, an ideal approach to identify the cell of origin is to analyze proliferative abnormalities in distinct lineages prior to malignancy. Here, we use mosaic analysis with double markers (MADM) in mice to model gliomagenesis by initiating concurrent p53/Nf1 mutations sporadically in neural stem cells (NSCs). Surprisingly, MADM-based lineage tracing revealed significant aberrant growth prior to malignancy only in oligodendrocyte precursor cells (OPCs), but not in any other NSC-derived lineages or NSCs themselves. Upon tumor formation, phenotypic and transcriptome analyses of tumor cells revealed salient OPC features. Finally, introducing the same p53/Nf1 mutations directly into OPCs consistently led to gliomagenesis. Our findings suggest OPCs as the cell of origin in this model, even when initial mutations occur in NSCs, and highlight the importance of analyzing premalignant stages to identify the cancer cell of origin.