Abstract The noradrenergic locus coeruleus (LC) is among the earliest sites of tau and alpha-synuclein pathology in Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD), respectively. The onset of these pathologies coincides with loss of noradrenergic fibers in LC target regions and the emergence of prodromal symptoms including sleep disturbances and anxiety. Paradoxically, these prodromal symptoms are indicative of a noradrenergic hyperactivity phenotype, rather than the predicted loss of norepinephrine (NE) transmission following LC damage, suggesting the engagement of complex compensatory mechanisms. Because current therapeutic efforts are targeting early disease, interest in the LC has grown, and it is critical to identify the links between pathology and dysfunction. We employed the LC-specific neurotoxin DSP-4, which preferentially damages LC axons, to model early changes in the LC-NE system pertinent to AD and PD in male and female mice. DSP-4 (2 doses of 50 mg/kg, 1 week apart) induced LC axon degeneration, triggered neuroinflammation and oxidative stress, and reduced tissue NE levels. There was no LC cell death or changes to LC firing, but transcriptomics revealed reduced expression of genes that define noradrenergic identity and other changes relevant to neurodegenerative disease. Despite the dramatic loss of LC fibers, NE turnover and signaling were elevated in terminal regions and were associated with anxiogenic phenotypes in multiple behavioral tests. These results represent a comprehensive analysis of how the LC-NE system responds to axon/terminal damage reminiscent of early AD and PD at the molecular, cellular, systems, and behavioral levels, and provides potential mechanisms underlying prodromal neuropsychiatric symptoms.

Abstract The human genome contains vast genetic diversity in the form of naturally occurring coding variants, yet the impact of these variants on protein function and physiology is poorly understood. RGS14 is a multifunctional signaling protein that suppresses synaptic plasticity in dendritic spines of hippocampal neurons. RGS14 also is a nucleocytoplasmic shuttling protein, suggesting that balanced nuclear import/export and dendritic spine localization are essential for RGS14 functions. We identified genetic variants L505R (LR) and R507Q (RQ) located within the nuclear export sequence (NES) of human RGS14 . Here we report that RGS14 carrying LR or RQ profoundly impacts protein functions in hippocampal neurons and brain. Following nuclear import, RGS14 nuclear export is regulated by Exportin 1 (XPO1/CRM1). Remarkably, LR and RQ variants disrupt RGS14 binding to Gαi1-GDP and XPO1, nucleocytoplasmic equilibrium, and capacity to inhibit LTP. Variant LR accumulates irreversibly in the nucleus, preventing RGS14 binding to G proteins, localization to dendritic spines, and inhibitory actions on LTP induction, while variant RQ exhibits a mixed phenotype. When introduced into mice by CRISPR/Cas9, RGS14-LR protein expression was detected predominantly in the nuclei of neurons within hippocampus, central amygdala, piriform cortex, and striatum, brain regions associated with learning and synaptic plasticity. Whereas mice completely lacking RGS14 exhibit enhanced spatial learning, mice carrying variant LR exhibit normal spatial learning, suggesting that RGS14 may have distinct functions in the nucleus independent from those in dendrites and spines. These findings show that naturally occurring genetic variants can profoundly alter normal protein function, impacting physiology in unexpected ways.

ABSTRACT Background Both the noradrenergic and galaninergic systems have been implicated in stress-related neuropsychiatric disorders, and these two neuromodulators are co-released from the stress-responsive locus coeruleus (LC); however, the individual contributions of LC-derived norepinephrine (NE) and galanin to behavioral stress responses are unclear. Here we aimed to disentangle the functional roles of co-released NE and galanin in stress-induced behavior. Methods We used foot shock, optogenetics, and behavioral pharmacology in wild-type (WT) mice and mice lacking either NE ( Dbh -/- ) or galanin ( Gal cKO-Dbh ) specifically in noradrenergic neurons to isolate the roles of these co-transmitters in regulating anxiety-like behavior in the elevated zero maze (EZM) either immediately or 24 h following stress. Results Foot shock and optogenetic LC stimulation produced immediate anxiety-like behavior in WT mice, and the effects of foot shock persisted for 24 h. NE-deficient mice were resistant to the anxiogenic effects of acute stress and optogenetic LC stimulation, while mice lacking noradrenergic-derived galanin displayed typical increases in anxiety-like behavior. However, when tested 24 h after foot shock, both Dbh -/- and Gal cKO-Dbh mice lacked normal expression of anxiety-like behavior. Pharmacological rescue of NE, but not galanin, in knockout mice during EZM testing was anxiogenic. In contrast, restoring galanin, but not NE, signaling during foot shock normalized stress-induced anxiety-like behavior 24 h later. Conclusions These results indicate that NE and noradrenergic-derived galanin play complementary, but distinguishable roles in behavioral responses to stress. NE is required for the expression of acute stress-induced anxiety, while noradrenergic-derived galanin mediates more persistent responses following a stressor.

Abstract Rationale In rodents, exposure to novel environments or psychostimulants promotes locomotor activity. Indeed, locomotor reactivity to novelty strongly predicts behavioral responses to psychostimulants in animal models of addiction. RGS14 is a plasticity restricting protein with unique functional domains that enable it to suppress ERK-dependent signaling as well as regulate G protein activity. Although recent studies show that RGS14 is expressed in multiple limbic regions implicated in psychostimulant- and novelty-induced hyperlocomotion, its function has been studied almost entirely in the context of hippocampal physiology and hippocampusdependent behaviors. Objective We sought to determine whether RGS14 modulates novelty- and psychostimulant-induced locomotion and neuronal activity. Methods We assessed Rgs14 knockout (RGS14 KO) mice and wild-type (WT) littermate controls using novelty-induced locomotion (NIL) and cocaine-induced locomotion (CIL) behavioral tests with subsequent quantification of c-fos and phosphorylated ERK (pERK) induction in limbic regions that express RGS14. Results Compared to WT controls, RGS14 KO mice exhibited attenuated locomotor responses in the NIL test, driven by avoidance of the center of the novel environment. By contrast, RGS14 KO mice demonstrated augmented peripheral locomotion in the CIL test conducted in either a familiar or novel environment. The absence of RGS14 enhanced induction of c-fos and pERK in the central amygdala and hippocampus (areas CA1 and CA2) when cocaine was administered in a novel environment. Conclusions RGS14 regulates novelty- and psychostimulant-induced hyperlocomotion, particularly with respect to thigmotaxis. Further, our findings suggest RGS14 may reduce neuronal activity in discrete limbic subregions by inhibiting ERK-dependent signaling and transcription.

Accumulating evidence indicates that disruption of galanin signaling is associated with neuropsychiatric disease, but the precise functions of this neuropeptide remain largely unresolved due to lack of tools for experimentally disrupting its transmission in a cell type-specific manner. To examine the function of galanin in the noradrenergic system, we generated and crossed two novel knock-in mouse lines to create animals lacking galanin specifically in noradrenergic neurons ( GalcKO-Dbh ). We observed reduced levels of galanin peptide in pons, hippocampus, and prefrontal cortex of GalcKO-Dbh mice, indicating that noradrenergic neurons are a significant source of galanin to those brain regions, while midbrain and hypothalamic galanin levels were comparable to littermate controls. In these same brain regions, we observed no change in levels of norepinephrine or its major metabolite at baseline or after an acute stressor, suggesting that loss of galanin does not affect noradrenergic synthesis or turnover. GalcKO-Dbh mice had normal performance in tests of depression, learning, and motor-related behavior, but had an altered response in some anxiety-related tasks. Specifically, GalcKO-Dbh mice showed increased marble and shock probe burying and had a reduced latency to eat in a novel environment, indicative of a more proactive coping strategy. Together, these findings indicate that noradrenergic neurons provide a significant source of galanin to discrete brain areas, and noradrenergic-specific galanin opposes adaptive coping responses.

Regulator of G Protein Signaling 14 (RGS14) is a complex scaffolding protein with an unusual domain structure that allows it to integrate G protein and mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathways. RGS14 mRNA and protein are enriched in brain tissue of rodents and primates. In the adult mouse brain, RGS14 is predominantly expressed in postsynaptic dendrites and spines of hippocampal CA2 pyramidal neurons where it naturally inhibits synaptic plasticity and hippocampus-dependent learning and memory. However, the signaling proteins that RGS14 natively interacts with in neurons to regulate plasticity are unknown. Here, we show that RGS14 exists as a component of a high molecular weight protein complex in brain. To identify RGS14 neuronal interacting partners, endogenous RGS14 immunoprecipitated from mouse brain was subjected to mass spectrometry and proteomic analysis. We find that RGS14 interacts with key postsynaptic proteins that regulate neuronal plasticity. Gene ontology analysis reveals that the most enriched RGS14 interacting proteins have functional roles in actin-binding, calmodulin(CaM)-binding, and CaM-dependent protein kinase (CaMK) activity. We validate these proteomics findings using biochemical assays that identify interactions between RGS14 and two previously unknown binding partners: CaM and CaMKII. We report that RGS14 directly interacts with CaM in a calcium-dependent manner and is phosphorylated by CaMKII in vitro. Lastly, we detect that RGS14 associates with CaMKII and with CaM in hippocampal CA2 neurons by proximity ligation assays in mouse brain sections. Taken together, these findings demonstrate that RGS14 is a novel CaM effector and CaMKII phosphorylation substrate thereby providing new insight into cellular mechanisms by which RGS14 controls plasticity in CA2 neurons.

Rationale In rodents, exposure to novel environments elicits initial anxiety-like behavior (neophobia) followed by intense exploration (neophilia) that gradually subsides as the environment becomes familiar. Thus, innate novelty-induced behaviors are useful indices of anxiety and motivation in animal models of psychiatric disease. Noradrenergic neurons are activated by novelty and implicated in exploratory and anxiety-like responses, but the role of norepinephrine (NE) in neophobia has not been clearly delineated.Objective We sought to define the role of central NE transmission in neophilic and neophobic behaviors.Methods We assessed dopamine β-hydroxylase knockout ( Dbh -/- ) mice lacking NE and their NE-competent ( Dbh +/- ) littermate controls in neophilic (novelty-induced locomotion; NIL) and neophobic (novelty-suppressed feeding; NSF) behavioral tests with subsequent quantification of brain-wide c-fos induction. We complimented the gene knockout approach with pharmacological interventions.Results Dbh -/- mice exhibited blunted locomotor responses in the NIL task and completely lacked neophobia in the NSF test. Neophobia was rescued in Dbh -/- mice by acute pharmacological restoration of central NE with the synthetic precursor L-3,4-dihydroxyphenylserine (DOPS), and attenuated in control mice by the inhibitory α2-adrenergic autoreceptor agonist guanfacine. Following either NSF or NIL, Dbh -/- mice demonstrated reduced c-fos in the anterior cingulate cortex, medial septum, ventral hippocampus, bed nucleus of the stria terminalis, and basolateral amygdala.Conclusion These findings indicate that central NE signaling is required for the expression of both neophilic and neophobic behaviors. Further, we describe a putative noradrenergic novelty network as a potential therapeutic target for treating anxiety and substance abuse disorders.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract In rodents, exposure to predator odors such as cat urine acts as a severe stressor that engages innate defensive behaviors critical for survival in the wild. The neurotransmitters norepinephrine (NE) and dopamine (DA) modulate anxiety and predator odor responses, and we have shown previously that dopamine β-hydroxylase knockout ( Dbh -/-) , which reduces NE and increases DA in mouse noradrenergic neurons, disrupts innate behaviors in response to mild stressors such as novelty. We examined the consequences of Dbh knockout ( Dbh -/- ) on responses to predator odor (bobcat urine) and compared them to Dbh-competent littermate controls. Over the first 10 min of predator odor exposure, controls exhibited robust defensive burying behavior, whereas Dbh -/- mice showed high levels of grooming. Defensive burying was potently suppressed in controls by drugs that reduce NE transmission, while excessive grooming in Dbh -/- mice was blocked by DA receptor antagonism. In response to a cotton square scented with a novel “neutral” odor (lavender), most control mice shredded the material, built a nest, and fell asleep within 90 min. Dbh -/- mice failed to shred the lavender-scented nestlet, but still fell asleep. In contrast, controls sustained high levels of arousal throughout the predator odor test and did not build nests, while Dbh -/- mice were asleep by the 90-min time point, often in shredded bobcat urine-soaked nesting material. Compared with controls exposed to predator odor, Dbh -/- mice demonstrated decreased c-fos induction in the anterior cingulate cortex, lateral septum, periaqueductal gray, and bed nucleus of the stria terminalis, but increased c-fos in the locus coeruleus and medial amygdala. These data indicate that relative ratios of central NE and DA signaling coordinate the type and valence of responses to predator odor.

Rationale: Obsessive-compulsive disorder (OCD) is characterized by repetitive behaviors exacerbated by stress. Many OCD patients do not respond to available pharmacotherapies, but neurosurgical ablation of the anterior cingulate cortex (ACC) can provide symptomatic relief. Although the ACC receives noradrenergic innervation and expresses adrenergic receptors (ARs), the involvement of norepinephrine (NE) in OCD has not been investigated. Objective: To determine the effects of genetic or pharmacological disruption of NE neurotransmission on marble burying (MB) and nestlet shredding (NS) in two animal models of OCD. Methods: We assessed NE-deficient ( Dbh -/- ) mice and NE-competent ( Dbh +/- ) controls in MB and NS tasks. We also measured the effects of anti-adrenergic drugs on NS and MB in control mice and the effects of pharmacological restoration of central NE in Dbh -/- mice. Finally, we compared c-fos induction in the locus coeruleus (LC) and ACC of Dbh -/- and control mice following both tasks. Results: Dbh -/- mice virtually lacked MB and NS behaviors seen in control mice but did not differ in the elevated zero maze (EZM) model of general anxiety-like behavior. Pharmacological restoration of central NE synthesis in Dbh -/- mice completely rescued NS behavior, while NS and MB were suppressed in control mice by anti-adrenergic drugs. Expression of c-fos in the ACC was attenuated in Dbh -/- mice after MB and NS. Conclusion: These findings support a role for NE transmission to the ACC in the expression of stress-induced compulsive behaviors and suggest further evaluation of anti-adrenergic drugs for OCD is warranted.

Hippocampal oscillations arise from coordinated activity among distinct populations of neurons and are associated with cognitive functions and behaviors. Although much progress has been made toward identifying the relative contribution of specific neuronal populations in hippocampal oscillations, far less is known about the role of hippocampal area CA2, which is thought to support social aspects of episodic memory. Furthermore, the little existing evidence on the role of CA2 in oscillations have led to conflicting conclusions. Therefore, we sought to identify the specific contribution of CA2 pyramidal neurons to brain oscillations using a controlled experimental system. We used excitatory and inhibitory DREADDs in transgenic mice to acutely and reversibly manipulate CA2 pyramidal cell activity. Here, we report on the role of CA2 in hippocampal-prefrontal cortical network oscillations and social behavior. We found that excitation or inhibition of CA2 pyramidal cell activity bidirectionally regulated hippocampal and prefrontal cortical low gamma oscillations and inversely modulated hippocampal ripple oscillations. Further, CA2 inhibition impaired social approach behavior. These findings support a role for CA2 in low gamma generation and ripple modulation within the hippocampus and underscore the importance of CA2 neuronal activity in extrahippocampal oscillations and social behavior.