Summary

 During development, the formation of mature neural circuits requires the selective elimination of inappropriate synaptic connections. Here we show that C1q, the initiating protein in the classical complement cascade, is expressed by postnatal neurons in response to immature astrocytes and is localized to synapses throughout the postnatal CNS and retina. Mice deficient in complement protein C1q or the downstream complement protein C3 exhibit large sustained defects in CNS synapse elimination, as shown by the failure of anatomical refinement of retinogeniculate connections and the retention of excess retinal innervation by lateral geniculate neurons. Neuronal C1q is normally downregulated in the adult CNS; however, in a mouse model of glaucoma, C1q becomes upregulated and synaptically relocalized in the adult retina early in the disease. These findings support a model in which unwanted synapses are tagged by complement for elimination and suggest that complement-mediated synapse elimination may become aberrantly reactivated in neurodegenerative disease.

Synapses are asymmetric cellular adhesions that are critical for nervous system development and function, but the mechanisms that induce their formation are not well understood. We have previously identified thrombospondin as an astrocyte-secreted protein that promotes central nervous system (CNS) synaptogenesis. Here, we identify the neuronal thrombospondin receptor involved in CNS synapse formation as α2δ-1, the receptor for the anti-epileptic and analgesic drug gabapentin. We show that the VWF-A domain of α2δ-1 interacts with the epidermal growth factor-like repeats common to all thrombospondins. α2δ-1 overexpression increases synaptogenesis in vitro and in vivo and is required postsynaptically for thrombospondin- and astrocyte-induced synapse formation in vitro. Gabapentin antagonizes thrombospondin binding to α2δ-1 and powerfully inhibits excitatory synapse formation in vitro and in vivo. These findings identify α2δ-1 as a receptor involved in excitatory synapse formation and suggest that gabapentin may function therapeutically by blocking new synapse formation.

Glypican 4 and glypican 6 are identified as astrocyte-secreted signals that induce the formation of functional, rather than structural, synapses through the recruitment to the neuron surface of the GluA1 subunits of the AMPA glutamate receptor. Molecular signals released by astrocytes, the dominant type of glial cell found in the brain, have previously been identified as influential regulators in the formation of new synapses in the developing central nervous system. However, these molecules mostly induce the structural synapse, with the connection itself remaining functionally silent. Here, Allen et al. biochemically isolate other astrocyte-derived signals, glypicans 4 and 6, which induce functional synapses and are sufficient to increase the frequency of excitatory synaptic events. This is achieved by enhancing the density of AMPA-sensitive glutamate receptors at the surface of the synapse. Glypican 6 defects have been observed in human disorders involving synaptic dysfunction, suggesting a role for glypicans as regulators of neuronal circuit formation in both development and disease. In the developing central nervous system (CNS), the control of synapse number and function is critical to the formation of neural circuits. We previously demonstrated that astrocyte-secreted factors powerfully induce the formation of functional excitatory synapses between CNS neurons1. Astrocyte-secreted thrombospondins induce the formation of structural synapses, but these synapses are postsynaptically silent2. Here we use biochemical fractionation of astrocyte-conditioned medium to identify glypican 4 (Gpc4) and glypican 6 (Gpc6) as astrocyte-secreted signals sufficient to induce functional synapses between purified retinal ganglion cell neurons, and show that depletion of these molecules from astrocyte-conditioned medium significantly reduces its ability to induce postsynaptic activity. Application of Gpc4 to purified neurons is sufficient to increase the frequency and amplitude of glutamatergic synaptic events. This is achieved by increasing the surface level and clustering, but not overall cellular protein level, of the GluA1 subunit of the AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) glutamate receptor (AMPAR). Gpc4 and Gpc6 are expressed by astrocytes in vivo in the developing CNS, with Gpc4 expression enriched in the hippocampus and Gpc6 enriched in the cerebellum. Finally, we demonstrate that Gpc4-deficient mice have defective synapse formation, with decreased amplitude of excitatory synaptic currents in the developing hippocampus and reduced recruitment of AMPARs to synapses. These data identify glypicans as a family of novel astrocyte-derived molecules that are necessary and sufficient to promote glutamate receptor clustering and receptivity and to induce the formation of postsynaptically functioning CNS synapses.

Aging brains undergo cognitive decline, associated with decreased neuronal synapse number and function and altered metabolism. Astrocytes regulate neuronal synapse formation and function in development and adulthood, but whether these properties change during aging, contributing to neuronal dysfunction, is unknown. We addressed this by generating aged and adult astrocyte transcriptomes from multiple mouse brain regions. These data provide a comprehensive RNA-seq database of adult and aged astrocyte gene expression, available online as a resource. We identify astrocyte genes altered by aging across brain regions and regionally unique aging changes. Aging astrocytes show minimal alteration of homeostatic and neurotransmission-regulating genes. However, aging astrocytes upregulate genes that eliminate synapses and partially resemble reactive astrocytes. We further identified heterogeneous expression of synapse-regulating genes between astrocytes from different cortical regions. We find that alterations to astrocytes in aging create an environment permissive to synapse elimination and neuronal damage, potentially contributing to aging-associated cognitive decline.

Astrocytes regulate synaptic connectivity in the CNS through secreted signals. Here we identified two astrocyte-secreted proteins, hevin and SPARC, as regulators of excitatory synaptogenesis in vitro and in vivo. Hevin induces the formation of synapses between cultured rat retinal ganglion cells. SPARC is not synaptogenic, but specifically antagonizes synaptogenic function of hevin. Hevin and SPARC are expressed by astrocytes in the superior colliculus, the synaptic target of retinal ganglion cells, concurrent with the excitatory synaptogenesis. Hevin-null mice had fewer excitatory synapses; conversely, SPARC-null mice had increased synaptic connections in the superior colliculus. Furthermore, we found that hevin is required for the structural maturation of the retinocollicular synapses. These results identify hevin as a positive and SPARC as a negative regulator of synapse formation and signify that, through regulation of relative levels of hevin and SPARC, astrocytes might control the formation, maturation, and plasticity of synapses in vivo.

The inability to purify and culture astrocytes has long hindered studies of their function. Whereas astrocyte progenitor cells can be cultured from neonatal brain, culture of mature astrocytes from postnatal brain has not been possible. Here, we report a new method to prospectively purify astrocytes by immunopanning. These astrocytes undergo apoptosis in culture, but vascular cells and HBEGF promote their survival in serum-free culture. We found that some developing astrocytes normally undergo apoptosis in vivo and that the vast majority of astrocytes contact blood vessels, suggesting that astrocytes are matched to blood vessels by competing for vascular-derived trophic factors such as HBEGF. Compared to traditional astrocyte cultures, the gene profiles of the cultured purified postnatal astrocytes much more closely resemble those of in vivo astrocytes. Although these astrocytes strongly promote synapse formation and function, they do not secrete glutamate in response to stimulation.

Summary The maturation and stabilization of appropriate synaptic connections is a vital step in the development of neuronal circuits, however the molecular signals underlying these processes are not fully understood. We show that astrocytes, through production of glypican 5 (GPC5), are required for maturation and refinement of synapses in the developing mouse cortex. In the absence of astrocyte GPC5 thalamocortical synapses in the visual cortex show structural immaturity during the critical period, including smaller presynaptic terminals, decreased postsynaptic density area, and presence of more postsynaptic partners at multisynaptic connections. This structural immaturity is accompanied by a delay in developmental incorporation of GLUA2-containing calcium impermeable AMPARs at intracortical synapses. The functional impact of this is that mice lacking astrocyte GPC5 exhibit increased levels of ocular dominance plasticity in adulthood. This shows astrocyte GPC5 is necessary for maturation and stabilization of synaptic connections in typical development, with implications for understanding disorders with altered synaptic function, including Alzheimer’s disease, where GPC5 levels are altered.

Fragile X syndrome (FXS) is a monogenic neurodevelopmental disorder with manifestations spanning molecular, neuroanatomical, and behavioral changes. Astrocytes contribute to FXS pathogenesis and show hundreds of dysregulated genes and proteins; targeting upstream pathways mediating astrocyte changes in FXS could therefore be a point of intervention. To address this, we focused on the bone morphogenetic protein (BMP) pathway, which is upregulated in FXS astrocytes. We generated a conditional KO (cKO) of Smad4 in astrocytes to suppress BMP signaling, and found this lessens audiogenic seizure severity in FXS mice. To ask how this occurs on a molecular level, we performed

Summary Neuronal dendrite structure and synapse formation is tightly regulated during development to promote proper connectivity. Astrocyte-secreted proteins act as guidance and pro-synaptogenic factors, and astrocyte protein secretion is dysregulated in neurodevelopmental disorders with aberrant circuitry. Here we identify down-regulation of the astrocyte-secreted molecule pleiotrophin as a major contributor to neuronal phenotypes in the Ts65Dn mouse model of Down Syndrome. Through histological characterizations of Ts65Dn mutant and pleiotrophin knockout mice, we find overlapping phenotypes in neuronal dendrites, spines and intracortical synapses. By targeting pleiotrophin overexpression to astrocytes in Ts65Dn mutant mice in vivo , we show that pleiotrophin can rescue and/or partially restore these phenotypes, and we further correlate structural changes to improved cognitive function. Our findings identify pleiotrophin as a molecule that can be targeted in Down Syndrome to promote proper circuit connectivity, even at later stages of development after typical periods of circuit refinement have closed.