SUMMARY In spinal cord injury (SCI), the scar-forming reactive astrocytes with upregulated GFAP proliferate aberrantly near the injury site, allowing themselves as a prime target for transdifferentiation into neurons to replenish dead neurons. However, the conventional use of GFAP promoter to target reactive astrocytes has two inherent problems: inadvertent conversion of normal astrocytes and low efficiency due to progressive weakening of promoter activity during transdifferentiation. Here, we report that the scar-forming reactive astrocytes are selectively transdifferentiated into neurons with 87% efficiency and 96% specificity via TRANsCre-DIONE, a combination of the split-Cre system under two different promoters of GFAP and Lcn2 and a Cre-loxP-dependent inversion and expression of Neurog2 under the strong EF1α promoter. After SCI, TRANsCre-DIONE caused transdifferentiation into Isl1-positive motor neurons, reduced astrogliosis, enhanced regeneration in surrounding cells, and a significant motor recovery. Our study proposes TRANsCre-DIONE as the next-generation therapeutic approach for patients suffering from SCI. Highlights TRANsCre-DIONE converts reactive astrocyte into neuron by over-expression of Neurog2 Reactive astrocytes are targeted using split-Cre under two promoters, GFAP and Lcn2 TRANsCre-DIONE reduces reactivity, replaces dead neurons and alleviates symptom of SCI Transdifferentiated-neurons are GABA+ in the striatum and Isl1+ in the spinal cord

Summary Cognitive flexibility is an essential ability to adapt to changing environment and circumstances. NMDAR has long been implicated in cognitive flexibility, but the precise molecular and cellular mechanism is not well understood. Here, we report that astrocytes regulate NMDAR tone through Best1-mediated glutamate and D-serine release, which is critical for cognitive flexibility. Co-release of D-serine and glutamate is required for not only homosynaptic LTD but also heterosynaptic LTD, which is induced at unstimulated synapses upon release of norepinephrine and activation of astrocytic α1-AR during homosynaptic LTP. Remarkably, heterosynaptic LTD at unstimulated synapses during memory acquisition is required for later repotentiation LTP during reversal learning, laying a foundation for flexible memory and cognitive flexibility. Our study sheds light on the pivotal role of astrocytes in orchestrating multiple synapses during memory formation and determining the fate of consolidated memory to be retained as a flexible memory. Highlights Astrocytes regulate NMDAR tone via Best1-mediated glutamate and D-serine release Activation of astrocytic α1-AR induces heterosynaptic LTD via NMDAR tone Heterosynaptic LTD is required for repotentiation LTP and spatial reversal learning Astrocytic regulation of NMDAR tone is critical for metaplasticity and flexible memory

SUMMARY The lateral hypothalamic area (LHA) regulates food intake and energy expenditure. Although LHA neurons innervate adipose tissues, the identity of neurons that regulate fat is undefined. Here we identify that Gabra5-positive neurons in LHA (GABRA5 LHA ) polysynaptically project to brown and white adipose tissues in the periphery. GABRA5 LHA are a distinct subpopulation of GABAergic neurons and show decreased pacemaker firing in diet-induced obesity (DIO) mouse model. Chemogenetic inhibition of GABRA5 LHA suppresses energy expenditure and increases weight gain, whereas gene-silencing of Gabra5 in LHA decreases weight gain. In DIO mouse model, GABRA5 LHA are tonically inhibited by nearby reactive astrocytes releasing GABA, which is synthesized by MAOB. Gene-silencing of astrocytic MAOB in LHA reduces weight gain significantly without affecting food intake, which is recapitulated by administration of a MAOB inhibitor, KDS2010. We propose that firing of GABRA5 LHA facilitates energy expenditure and selective inhibition of astrocytic GABA is a molecular target for treating obesity.

Abstract An ongoing pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19) is now the greatest threat to the global public health. Herbal medicines and their derived natural products have drawn much attention to treat COVID-19, but there has been no natural product showing inhibitory activity against SARS-CoV-2 infection with detailed mechanism. Here, we show that platycodin D (PD), a triterpenoid saponin abundant in Platycodon grandiflorum (PG), a dietary and medicinal herb commonly used in East Asia, effectively blocks the two main SARS-CoV-2 infection-routes via lysosome- and transmembrane protease, serine 2 (TMPRSS2)-driven entry. Mechanistically, PD prevents host-entry of SARS-CoV-2 by redistributing membrane cholesterol to prevent membrane fusion, which can be reinstated by treatment with a PD-encapsulating agent. Furthermore, the inhibitory effects of PD are recapitulated by a pharmacological inhibition or gene-silencing of NPC1 , which is mutated in Niemann-Pick type C (NPC) patients displaying disrupted membrane cholesterol. Finally, readily available local foods or herbal medicines containing PG root show the similar inhibitory effects against SARS-CoV-2 infection. Our study proposes that PD is a potent natural product for preventing or treating COVID-19 and that a brief disruption of membrane cholesterol can be a novel therapeutic approach against SARS-CoV-2 infection.

Abstract GABA synthesis in astrocytes mediates tonic inhibition to regulate patho-physiological processes in various brain regions. Monoamine oxidase B (MAO-B) has been known to be the most important metabolic enzyme for synthesizing GABA from the putrescine degradation pathway. MAO-B converts N 1 -acetylputrescine to N 1 -acetyl-γ-aminobutyraldehyde and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Putrescine acetyltransferase (PAT), also known as spermidine and spermine N 1 -acetyltransferase 1 (SAT1), has been thought to be a feasible candidate enzyme for converting putrescine to N 1 -acetylputrescine. However, it has not been rigorously investigated or determined whether PAT/SAT1 contributes to GABA synthesis in astrocytes. To investigate the contribution of PAT/SAT1 to GABA synthesis in astrocytes, we conducted sniffer patch and whole-cell patch experiments with gene silencing of PAT/SAT1 by Sat1 shRNA expression. Our results showed that the gene silencing of PAT/SAT1 significantly decreased the MAO-B-dependent GABA synthesis, which was induced by putrescine incubation, leading to decreased Ca 2+ -dependent release of GABA in vitro . Additionally, we found that, from the brain slice ex vivo , putrescine incubation induces tonic GABA inhibition in dentate gyrus granule cells, which can be inhibited by MAO-B inhibitor, selegiline. Consistent with our in vitro results, astrocytic gene silencing of PAT/SAT1 significantly reduced putrescine incubation-induced tonic GABA current, possibly by converting putrescine to N 1 -acetylputrescine, a substrate of MAO-B. Our findings emphasize a crucial role of PAT/SAT1 in MAO-B-dependent GABA synthesis in astrocytes.