The number of dendritic spines is reduced in the postmortem brains of individuals with schizophrenia. Revealing a potential mechanism of such change, this study finds that the schizophrenia-associated protein DISC1 regulates the Rho GTPase pathway to modulate dendritic spine size. Synaptic spines are dynamic structures that regulate neuronal responsiveness and plasticity. We examined the role of the schizophrenia risk factor DISC1 in the maintenance of spine morphology and function. We found that DISC1 anchored Kalirin-7 (Kal-7), regulating access of Kal-7 to Rac1 and controlling the duration and intensity of Rac1 activation in response to NMDA receptor activation in both cortical cultures and rat brain in vivo. These results explain why Rac1 and its activator (Kal-7) serve as important mediators of spine enlargement and why constitutive Rac1 activation decreases spine size. This mechanism likely underlies disturbances in glutamatergic neurotransmission that have been frequently reported in schizophrenia that can lead to alteration of dendritic spines with consequential major pathological changes in brain function. Furthermore, the concept of a signalosome involving disease-associated factors, such as DISC1 and glutamate, may well contribute to the multifactorial and polygenetic characteristics of schizophrenia.

Activity-dependent rapid structural and functional modifications of central excitatory synapses contribute to synapse maturation, experience-dependent plasticity, and learning and memory and are associated with neurodevelopmental and psychiatric disorders. However, the signal transduction mechanisms that link glutamate receptor activation to intracellular effectors that accomplish structural and functional plasticity are not well understood. Here we report that NMDA receptor activation in pyramidal neurons causes CaMKII-dependent phosphorylation of the guanine-nucleotide exchange factor (GEF) kalirin-7 at residue threonine 95, regulating its GEF activity, leading to activation of small GTPase Rac1 and rapid enlargement of existing spines. Kalirin-7 also interacts with AMPA receptors and controls their synaptic expression. By demonstrating that kalirin expression and spine localization are required for activity-dependent spine enlargement and enhancement of AMPAR-mediated synaptic transmission, our study identifies a signaling pathway that controls structural and functional spine plasticity.

A progesterone-regulated transcription factor regulates stromal-epithelial communication in early pregnancy.

ABSTRACT The zinc finger protein 804A ( ZNF804A ) and the 5′-nucleotidase cytosolic II ( NT5C2 ) genes have been identified as robust susceptibility genes in large-scale genome-wide association studies of schizophrenia. The ZNF804A and NT5C2 proteins are highly expressed in developing and mature cortical neurons. ZNF804A has been implicated in regulating the development of neuronal morphology; it localises to synapses and is required for activity-dependent modifications of dendritic spines. NT5C2 has been shown to regulate 5′ adenosine monophosphate-activated protein kinase activity and implicated in influencing protein synthesis in neural progenitor cells. But despite these findings, a better understanding of the role these proteins play in regulating neuronal function is needed. A recent yeast two-hybrid screen has identified ZNF804A and NT5C2 as potential interacting proteins, but whether this occurs in situ ; and moreover, in cortical neurons, is unknown. Here we show that ZNF804A and Nt5C2 colocalise and interact in hEK293T cells. Furthermore, their rodent homolouges, ZFP804A and NT5C2, specifically colocalise at synapses and form a protein complex in cortical neurons. Knockdown of Zfp804A or Nt5c2 resulted in a significant decrease in synaptic expression of both proteins, suggesting that both proteins are required for the synaptic targeting of each other. Taken together, these data indicate that ZNF804A/ZFP804A and NT5C2 interact together in cortical neurons and indicate that these GWAS risk factors may function as a complex to regulate neuronal function.

Abstract Background Social memory is essential to the functioning of a social animal within a group. Estrogens can affect social memory too quickly for classical genomic mechanisms. Previously, 17β-estradiol (E2) rapidly facilitated short-term social memory and increased nascent synapse formation, these synapses being potentiated following neuronal activity. However, what mechanisms underlie and co-ordinate the rapid facilitation of social memory and synaptogenesis are unclear. Here, the necessity of extracellular signal-regulated kinase (ERK) and phosphoinositide 3-kinase (PI3K) signaling for rapid facilitation of short-term social memory and synaptogenesis was tested. Methods Mice performed a short-term social memory task or were used as task-naïve controls. ERK and PI3K pathway inhibitors were infused intra-dorsal hippocampally 5 minutes before E2 infusion. Forty minutes following intrahippocampal E2 or vehicle administration, tissues were collected for quantification of glutamatergic synapse number in the CA1. Results Dorsal hippocampal E2 rapid facilitation of short-term social memory depended upon ERK and PI3K pathways. E2 increased glutamatergic synapse number (GluA1/bassoon colocalization) in task-performing mice but decreased synapse number in task-naïve mice. Critically, ERK signaling was required for synapse formation/elimination in task-performing and task-naïve mice, whereas PI3K inhibition blocked synapse formation only in task-performing mice. Conclusions Whilst ERK and PI3K are both required for E2 facilitation of short-term social memory and synapse formation, only ERK is required for synapse elimination. This demonstrates previously unknown, bidirectional, rapid actions of E2 on brain and behaviour and underscores the importance of estrogen signaling in the brain to social behaviour.

Abstract Background Exposure to elevated interleukin (IL)-6 levels in utero is consistently associated with increased risk for psychiatric disorders with a putative neurodevelopmental origin, such as schizophrenia (SZ) and autism spectrum condition (ASC). Although rodent models provide causal evidence for this association, we lack a detailed understanding of the cellular and molecular mechanisms in human model systems. To close this gap, we characterised the response of hiPSC-derived microglia-like cells (MGL) and neural progenitor cells (NPCs) to IL-6 in monoculture. Results We observed that human forebrain NPCs did not respond to acute IL-6 exposure in monoculture at both a protein and transcript level due to the absence of IL-6Ra expression and sIL-6Ra secretion. By contrast, acute IL-6 exposure resulted in STAT3 phosphorylation and increased IL-6, JMJD3 and IL-10 expression in MGL, confirming activation of canonical IL-6R signalling. Bulk RNAseq identified 156 upregulated genes (FDR <0.05) in MGL following acute IL-6 exposure, including IRF8, REL, HSPA1A/B and OXTR , which significantly overlapped with an upregulated gene set from post-mortem brain tissue from individuals with schizophrenia. Acute IL-6 stimulation significantly increased MGL motility suggestive of a gain of surveillance function, consistent with gene ontology pathways highlighted from the RNAseq data. Finally, MGLs displayed elevated CCL1, CXCL1, MIP-1A/B, IL-8, IL-13, IL-16, IL-18, MIF and Serpin-E1 secretion post 3h and 24h IL-6 exposure. Conclusion Our data provide evidence for cell specific effects of acute IL-6 exposure in a human model system and strongly suggest microglia-NPC co-culture models are required to study how IL-6 influences human cortical neural progenitor cell development in vitro .

Abstract Induced pluripotent stem cells (iPSCs) and their differentiated neurons (iPSC-neurons) are a widely used cellular model in the research of the central nervous system. However, it is unknown how well they capture age-associated processes, particularly given that pluripotent cells are only present during the earliest stages of mammalian development. Epigenetic clocks utilize coordinated age-associated changes in DNA methylation to make predictions that correlate strongly with chronological age. It has been shown that the induction of pluripotency rejuvenates predicted epigenetic age. As existing clocks are not optimized for the study of brain development, we developed the fetal brain clock (FBC), a bespoke epigenetic clock trained in human prenatal brain samples in order to investigate more precisely the epigenetic age of iPSCs and iPSC-neurons. The FBC was tested in two independent validation cohorts across a total of 194 samples, confirming that the FBC outperforms other established epigenetic clocks in fetal brain cohorts. We applied the FBC to DNA methylation data from iPSCs and iPSC-derived neuronal precursor cells and neurons, finding that these cell types are epigenetically characterized as having an early fetal age. Furthermore, while differentiation from iPSCs to neurons significantly increases epigenetic age, iPSC-neurons are still predicted as being fetal. Together our findings reiterate the need to better understand the limitations of existing epigenetic clocks for answering biological research questions and highlight a limitation of iPSC-neurons as a cellular model of age-related diseases.

EPAC2 is a guanine nucleotide exchange factor that regulates GTPase activity of the small GTPase Rap and Ras) and is highly enriched at synapses. Activation of EPAC2 has been shown to induce dendritic spine shrinkage and increase spine motility, effects that are necessary for synaptic plasticity. These morphological effects are dysregulated by rare mutations of EPAC2 associated with autism spectrum disorders. In addition, EPAC2 destabilizes synapses through the removal of synaptic GluA2/3-containing AMPA receptors. Previous work has shown that Epac2 knockout mice (Epac2-/-) display abnormal social interactions, as well as gross disorganization of the frontal cortex and abnormal spine motility in vivo. In this study we sought to further understand the cellular consequences of knocking out Epac2 on the development of neuronal and synaptic structure and organization of cortical neurons. Using primary cortical neurons generated from Epac2+/+ or Epac2-/- mice, we confirm that EPAC2 is required for cAMP-dependent spine shrinkage. Neurons from Epac2-/- mice also displayed increased synaptic expression of GluA2/3-containing AMPA receptors, as well as of the adhesion protein N-cadherin. Intriguingly, analysis of excitatory and inhibitory synaptic proteins revealed that loss of EPAC2 resulted in altered of expression of vesicular glutamate transporter 1 (VGluT1) and vesicular GABA transporter (VGAT), indicating a potential imbalance in excitatory/inhibitory inputs onto neurons. Finally, examination of cortical neurons located within the anterior cingulate cortex further revealed subtle deficits in the establishment of dendritic arborization in vivo. These data provide evidence that EPAC2 is required for the correct composition of synapses and that loss of this protein could result in an imbalance of excitatory and inhibitory synapses.

The cell-adhesion proteins neuroligin-3 and neuroligin-4X (NLGN3/4X) have well described roles in synapse formation. NLGN3/4X are also expressed highly during neurodevelopment. However, the role these proteins play during this period is unknown. Here we show that NLGN3/4X localized to the leading edge of growth cones where it promoted neuritogenesis in immature human neurons. Super-resolution microscopy revealed that NLGN3/4X clustering induced growth cone enlargement and influenced actin filament organization. Critically, these morphological effects were not induced by Autism spectrum condition (ASC)-associated NLGN3/4X variants. Finally, actin regulators p21-activated kinase 1 (PAK1) and cofilin were found to be activated by NLGN3/4X and involved in mediating the effects of these adhesion proteins on actin filaments, growth cones, and neuritogenesis. These data reveal a novel role for NLGN3 and NLGN4X in the development of neuronal architecture, which may be altered in the presence of ASD-associated variants.