Abstract Translation modulates the timing and amplification of gene expression after transcription. Brain development requires uniquely complex gene expression patterns, but large-scale measurements of translation directly in the prenatal brain are lacking. We measure the reactants, synthesis, and products of translation spanning mouse neocortex neurogenesis, and discover a transient window of dynamic regulation at mid-gestation. Timed translation upregulation of chromatin binding proteins like Satb2, which is essential for neuronal subtype differentiation, restricts protein expression in neuronal lineages despite broad transcriptional priming in progenitors. In contrast, translation downregulation of ribosomal proteins sharply decreases ribosome number, coinciding with a major shift in protein synthesis dynamics at mid-gestation. Changing levels of eIF4EBP1, a direct inhibitor of ribosomal protein translation, are concurrent with ribosome downregulation and controls Satb2 fate acquisition during neuronal differentiation. Thus, the refinement of transcriptional programs by translation is central to the molecular logic of brain development. Modeling of the developmental neocortex translatome is provided as an open-source searchable resource: https://shiny.mdc-berlin.de/cortexomics/ .

SUMMARY Evolutionary expansion of the neocortex is associated with the increase in upper layer neurons. Here, we present Inositol-Requiring Enzyme 1α, Ire1α, as an essential determinant of upper layer fate, neuronal polarization and cortical lamination. We demonstrate a non-canonical function of Ire1α in the regulation of global translation rates in the developing neocortex through its dynamic interaction with the ribosome and regulation of eIF4A1 and eEF-2 expression. Inactivation of Ire1α engenders lower protein synthesis rates associated with stalled ribosomes and decreased number of translation start sites. We show unique sensitivity of upper layer fate to translation rates. Whereas eEF-2 is required for cortical lamination, eIF4A1 regulates acquisition of upper layer fate downstream of Ire1α in a mechanism of translational control dependent on 5’UTR-embedded structural elements in fate determinant genes. Our data unveil developmental regulation of ribosome dynamics as post-transcriptional mechanisms orchestrating neuronal diversity establishment and assembly of cortical layers. HIGHLIGHTS Small molecule screening reveals Ire1α upstream of upper layer neuronal identity Polarization and proper lamination of layer II/III neurons require Ire1α Development of upper layers requires high translation rates driven by eIF4A1 and eEF-2 downstream of Ire1α eIF4A1-dependent Satb2 mRNA translation initiation is a mechanism of upper layer fate acquisition

ABSTRACT Neuroligin-3 is a postsynaptic adhesion molecule involved in development, function, and pathologies of synapses in the brain. It is a genetic cause of autism and a potent component of the tumor microenvironment in gliomas. There are four Neuroligins that operate at distinct synapse types, selectively interacting with presynaptic adhesion and postsynaptic scaffold proteins. We investigated the subcellular localization and scaffold specificities of synaptic Neuroligin-3 and demonstrate an unexpected pattern of localization to excitatory synapses in cortical areas, and inhibitory synapses in subcortical areas. Using phosphoproteomics, we identify Neuroligin-3-specific serine phosphorylation in cortex and hippocampus that obstructs a key binding site for inhibitory synapse scaffolds. Using in utero CRISPR/Cas9 knockout and replacement with phosphomimetic mutants, we demonstrate that phosphorylation at this site determines excitatory versus inhibitory synapse localization of Neuroligin-3 in vivo . Our data reveal a mechanism that differentially regulates the balance of Neuroligin-3 between excitatory and inhibitory synapses, adding to our emerging understanding of their role in the development of brain connectivity and associated pathologies.

Kaufman oculocerebrofacial syndrome (KOS) is a severe autosomal recessive disorder characterized by intellectual disability, developmental delays, microcephaly and characteristic dysmorphisms. Biallelic mutations of UBE3B, encoding for a ubiquitin ligase E3B are causative for KOS. In this report, we characterize neuronal functions of its murine ortholog Ube3b. We show that Ube3b regulates dendritic branching in a cell-autonomous manner. Moreover, Ube3b knockout (KO) neurons exhibit increased density and aberrant morphology of dendritic spines, altered synaptic physiology and changes in hippocampal circuit activity. Dorsal forebrain-specific Ube3b KO animals show impaired spatial learning and alterations in social interactions. We further demonstrate that Ube3b ubiquitinates the catalytic γ-subunit of calcineurin (Ppp3cc), the overexpression of which phenocopies the loss of Ube3b with regard to dendritic spine density. This work provides insights into the molecular pathologies underlying intellectual disability-like phenotypes in a genetic mouse model for KOS.

Protein synthesis must be finely tuned in the nervous system, as it represents an essential feature of neurodevelopmental gene expression, and dominant pathology in neurological disease. However, the architecture of ribosomal complexes in the developing mammalian brain has not been analyzed at high resolution. This study investigates the architecture of ribosomes ex vivo from the embryonic and perinatal mouse neocortex, revealing Ebp1 as a 60S peptide tunnel exit binding factor at near-atomic resolution by multiparticle cryo-electron microscopy. The impact of Ebp1 on the neuronal proteome was analyzed by pSILAC and BONCAT coupled mass spectrometry, implicating Ebp1 in neurite outgrowth proteostasis, with in vivo embryonic Ebp1 knockdown resulting in dysregulation of neurite outgrowth. Our findings reveal Ebp1 as a central component of neocortical protein synthesis, and the 60S peptide tunnel exit as a focal point of gene expression control in the molecular specification of neuronal morphology.