Heterozygous mutations in any of the six H3K4 methyltransferases (KMT2s) result in monogenic neurodevelopmental disorders, indicating nonredundant yet poorly understood roles of this enzyme family in neurodevelopment. Recent evidence suggests that histone methyltransferase activity may not be central to KMT2 functions; however, the enzymatic activity is evolutionarily conserved, implicating the presence of selective pressure to maintain the catalytic activity. Here, we show that H3K4 methylation is dynamically regulated during prolonged alteration of neuronal activity. The perturbation of H3K4me by the H3.3K4M mutant blocks synaptic scaling, a form of homeostatic plasticity that buffers the impact of prolonged reductions or increases in network activity. Unexpectedly, we found that the six individual enzymes are all necessary for synaptic scaling and that the roles of KMT2 enzymes segregate into evolutionary-defined subfamilies: KMT2A and KMT2B (fly-Trx homologs) for synaptic downscaling, KMT2C and KMT2D (Trr homologs) for upscaling, and KMT2F and KMT2G (dSet homologs) for both directions. Selective blocking of KMT2A enzymatic activity by a small molecule and targeted disruption of the enzymatic domain both blocked the synaptic downscaling and interfered with the activity-dependent transcriptional program. Furthermore, our study revealed specific phases of synaptic downscaling, i.e., induction and maintenance, in which KMT2A and KMT2B play distinct roles. These results suggest that mammalian brains have co-opted intricate H3K4me installation to achieve stability of the expanding neuronal circuits.

Histone H3 lysine 4 methylation (H3K4me) is extensively regulated by seven writer and six eraser enzymes in mammals. Nine H3K4me enzymes are associated with neurodevelopmental disorders to date, indicating their important roles in the brain. Opposing activities of writer-eraser enzymes highlight activity modulation as a therapeutic strategy. However, interplay among H3K4me enzymes in the brain remains largely unknown. Here, we show functional interactions of a writer-eraser duo, KMT2A and KDM5C , which are responsible for Wiedemann-Steiner Syndrome (WDSTS), and mental retardation X-linked syndromic Claes-Jensen type (MRXSCJ), respectively. Despite opposite enzymatic activities, the WDSTS and MRXSCJ mouse models, deficient for either Kmt2a or Kdm5c , shared reduced dendritic spines and increased aggression. Double mutation of Kmt2a and Kdm5c clearly reversed dendritic morphology deficits and key behavioral traits including aggression, and partially corrected altered transcriptomes and H3K4me landscapes. Thus, our study uncovers common yet mutually suppressive aspects of the WDSTS and MRXSCJ models and provides a proof of principle for balancing a single writer-eraser pair to ameliorate their associated disorders.

How cell-type-specific chromatin landscapes emerge and progress during metazoan ontogenesis remains an important question. Transcription factors are expressed in a cell-type-specific manner and recruit chromatin-regulatory machinery to specific genomic loci. In contrast, chromatin-regulatory proteins are expressed broadly and are assumed to exert the same intrinsic function across cell types. However, human genetics studies have revealed an unexpected vulnerability of neurodevelopment to chromatin factor mutations with unknown mechanisms. Here, we report that 14 chromatin regulators undergo evolutionary-conserved neuron-specific splicing events involving microexons. Of the 14 chromatin regulators, two are integral components of a histone H3K4 demethylase complex; the catalytic subunit LSD1 and an H3K4me0-reader protein PHF21A adopt neuron-specific forms. We found that canonical PHF21A (PHF21A-c) binds to DNA by AT-hook motif, and the neuronal counterpart PHF21A-n lacks this DNA-binding function yet maintains H3K4me0 recognition intact. In-vitro reconstitution of the canonical and neuronal PHF21A-LSD1 complexes identified the neuronal complex as a hypomorphic H3K4 demethylating machinery with reduced nucleosome engagement. Furthermore, an autism-associated PHF21A missense mutation, 1285 G>A, at the last nucleotide of the common exon immediately upstream of the neuronal microexon led to impaired splicing of PHF21A-n. Thus, ubiquitous chromatin regulatory complexes exert unique intrinsic functions in neurons via alternative splicing of their subunits and potentially contribute to faithful human brain development.