Gene profiling techniques allow the assay of transcripts from organs, tissues, and cells with an unprecedented level of coverage. However, most of these approaches are still limited by the fact that organs and tissues are composed of multiple cell types that are each unique in their patterns of gene expression. To identify the transcriptome from a single cell type in a complex tissue, investigators have relied upon physical methods to separate cell types or in situ hybridization and immunohistochemistry. Here, we describe a strategy to rapidly and efficiently isolate ribosome-associated mRNA transcripts from any cell type in vivo. We have created a mouse line, called RiboTag, which carries an Rpl22 allele with a floxed wild-type C-terminal exon followed by an identical C-terminal exon that has three copies of the hemagglutinin (HA) epitope inserted before the stop codon. When the RiboTag mouse is crossed to a cell-type-specific Cre recombinase-expressing mouse, Cre recombinase activates the expression of epitope-tagged ribosomal protein RPL22 ha , which is incorporated into actively translating polyribosomes. Immunoprecipitation of polysomes with a monoclonal antibody against HA yields ribosome-associated mRNA transcripts from specific cell types. We demonstrate the application of this technique in brain using neuron-specific Cre recombinase-expressing mice and in testis using a Sertoli cell Cre recombinase-expressing mouse.

Reactive oxygen species (ROS) and mitochondrial defects in neurons are implicated in neurodegenerative disease. Here, we find that a key consequence of ROS and neuronal mitochondrial dysfunction is the accumulation of lipid droplets (LD) in glia. In Drosophila, ROS triggers c-Jun-N-terminal Kinase (JNK) and Sterol Regulatory Element Binding Protein (SREBP) activity in neurons leading to LD accumulation in glia prior to or at the onset of neurodegeneration. The accumulated lipids are peroxidated in the presence of ROS. Reducing LD accumulation in glia and lipid peroxidation via targeted lipase overexpression and/or lowering ROS significantly delays the onset of neurodegeneration. Furthermore, a similar pathway leads to glial LD accumulation in Ndufs4 mutant mice with neuronal mitochondrial defects, suggesting that LD accumulation following mitochondrial dysfunction is an evolutionarily conserved phenomenon, and represents an early, transient indicator and promoter of neurodegenerative disease.

To explore the lethal, ataxic phenotype of complex I deficiency in Ndufs4 knockout (KO) mice, we inactivated Ndufs4 selectively in neurons and glia (NesKO mice). NesKO mice manifested the same symptoms as KO mice including retarded growth, loss of motor ability, breathing abnormalities, and death by ~7 wk. Progressive neuronal deterioration and gliosis in specific brain areas corresponded to behavioral changes as the disease advanced, with early involvement of the olfactory bulb, cerebellum, and vestibular nuclei. Neurons, particularly in these brain regions, had aberrant mitochondrial morphology. Activation of caspase 8, but not caspase 9, in affected brain regions implicate the initiation of the extrinsic apoptotic pathway. Limited caspase 3 activation and the predominance of ultrastructural features of necrotic cell death suggest a switch from apoptosis to necrosis in affected neurons. These data suggest that dysfunctional complex I in specific brain regions results in progressive glial activation that promotes neuronal death that ultimately results in mortality.

Abstract The parabrachial nucleus (PBN) is a major hub that receives sensory information from both internal and external environments. Specific populations of PBN neurons are involved in behaviors including food and water intake, pain sensation, breathing regulation, as well as learning and responding appropriately to threatening stimuli. However, it is unclear how many PBN neuron populations exist and how different behaviors may be encoded by unique signaling molecules or receptors. Here we provide a repository of data on the molecular identity, spatial location, and projection patterns on dozens of PBN neuron subclusters. Using single-cell RNA sequencing, we identified 21 subclusters of neurons in the PBN and neighboring regions. Multiplexed in situ hybridization showed many of these subclusters are localized to distinct PBN subregions. We also describe two major ascending pathways that innervate distinct brain regions by analyzing axonal projections in 21 Cre-driver lines of mice. These results are all publicly available for download and provide a foundation for further interrogation of PBN functions and connections.

ABSTRACT Travel can induce motion sickness (MS) in susceptible individuals. MS is an evolutionary conserved mechanism caused by mismatches between motion-related sensory information and past visual and motion memory, triggering a malaise accompanied by hypolocomotion, hypothermia, hypophagia and nausea. Vestibular nuclei (VN) are critical for the processing of movement input from the inner ear. Motion-induced activation of VN neurons recapitulates MS-related signs. However, the genetic identity of VN neurons mediating MS- related autonomic and aversive responses remains unknown. Here, we identify a central role of cholecystokinin (CCK)-expressing VN neurons in motion-induced malaise. Moreover, we show that CCK VN inputs onto the parabrachial nucleus activate Calca - expressing neurons and are sufficient to establish avoidance to novel food, which is prevented by CCK-A receptor antagonism. These observations provide greater insight into the neurobiological regulation of MS by identifying the neural substrates of MS and providing potential targets for treatment. SIGNIFICANCE STATEMENT We live in an age where travel is paramount. However, one of the most disabling conditions inherent to traveling is motion sickness (MS). While studies have underscored the role of the vestibular system in the development of MS, the neuronal populations involved in motion-induced malaise remain largely unknown. Here, we describe the vestibular pathways eliciting MS responses, and identify a key role for cholecystokinin (CCK)-expressing vestibular neurons. We reveal that a vestibulo-parabrachial (PBN) CCKergic projection is sufficient to induce conditioned taste aversion, likely through the activation of calcitonin gene-related peptide-expressing PBN neurons. Finally, we underscore the role of CCK-A receptor signaling as a novel druggable target to treat MS, providing novel insight on the neurobiological substrates of MS.

Dysfunctions of the mitochondrial energy-generating machinery cause a series of progressive, untreatable and usually fatal diseases collectively known as mitochondrial disease. High energy-requiring organs such as the brain are especially affected, leading to developmental delay, ataxia, respiratory failure, hypotonia, seizures and premature death. While neural affectation is a critical component of the pathology, only discrete neuronal populations are susceptible. However, their molecular identity and their contribution to the disease remain unknown. Mice lacking the mitochondrial Complex I subunit NDUFS4 (Ndufs4KO mice) recapitulate the classical signs of Leigh Syndrome (LS), the most common presentation of mitochondrial disease with predominant CNS affectation. Here, we identify the critical role of two genetically-defined neuronal populations driving the fatal phenotype in Ndufs4KO mice. Selective inactivation of Ndufs4 in Vglut2-expressing glutamatergic neurons causes brainstem inflammation, motor and respiratory deficits, and early death. On the other hand, Ndufs4 deletion in GABAergic neurons leads to basal ganglia inflammation without motor or respiratory involvement, but accompanied by severe refractory epileptic seizures preceding premature death. These results provide novel insight in the cell type-specific contribution to LS pathology and open new avenues to understand the underlying cellular mechanisms of mitochondrial disease.

ABSTRACT Kisspeptin-expressing neurons in the rostral periventricular region of the third ventricle (RP3V) play an essential role in female reproduction. However, adult male mice were reported to have very few Kisspeptin-expressing neurons in the RP3V compared to females. This led to the hypothesis that Kiss1 RP3V neurons are responsible for the ability of females, but not males, to generate a surge of LH, triggering ovulation and steroid synthesis in the female. Using mouse genetics and cell type-specific gene expression analysis, we show that male mice harbor almost as many Kiss1 RP3V neurons as the female and that gene expression in these neurons is very similar. Specific activation of male Kiss1 RP3V neurons expressing viral-encoded hM3Dq caused a surge in serum testosterone levels. These results demonstrate that Kiss1 RP3V neurons are present in the adult male and fully capable of regulating the hypothalamic/pituitary/gonadal axis. We suggest that these neurons may continue to play a role in reproductive behavior in adult male mice.

Abstract Peripheral neurons are heterogeneous and functionally diverse, but all share the capability to switch to a pro-regenerative state after nerve injury. Despite the assumption that the injury response is similar among neuronal subtypes, functional recovery may differ. Understanding the distinct intrinsic regenerative properties between neurons may help to improve the quality of regeneration, prioritizing the growth of axon subpopulations to their targets. Here, we present a comparative analysis of regeneration across four key peripheral neuron populations: motoneurons, proprioceptors, cutaneous mechanoreceptors, and nociceptors. Using Cre/Ai9 mice that allow fluorescent labelling of neuronal subtypes, we found that nociceptors showed the greater regeneration after a sciatic crush, followed by motoneurons, mechanoreceptors and, finally, proprioceptors. By breeding these Cre mice with Ribotag mice, we isolated specific translatomes and defined the regenerative response of these neuronal subtypes after axotomy. Only 20% of the regulated genes were common, revealing a diverse response to injury among neurons, which was also supported by the differential influence of neurotrophins among neuron subtypes. Among differentially regulated genes, we proposed MED12 as a specific regulator of the regeneration of proprioceptors. Altogether, we demonstrate that the intrinsic regenerative capacity differs between peripheral neuron subtypes, opening the door to selectively modulate these responses.

Mutations in mitochondrial energy-producing genes lead to a heterogeneous group of untreatable disorders known as primary mitochondrial diseases (MD). Leigh syndrome (LS) is the most common pediatric MD and is characterized by progressive neuromuscular affectation and premature death. Here, we show that daily cannabidiol (CBD) administration significantly extends lifespan and ameliorates pathology in two LS mouse models, and improves cellular function in fibroblasts from LS patients. CBD delays motor decline and neurodegenerative signs, improves social deficits and breathing abnormalities, decreases thermally induced seizures, and improves neuropathology in affected brain regions. Mechanistically, we identify peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) as a key nuclear receptor mediating CBD's beneficial effects, while also providing proof of dysregulated PPARγ expression and activity as a common feature in both mouse neurons and fibroblasts from LS patients. Taken together, our results provide the first evidence for CBD as a potential treatment for LS.