Netrin-1 is known to function as a chemoattractant for several classes of developing axons and as a chemorepellent for other classes of axons, apparently dependent on the receptor type expressed by responsive cells. In culture, growth cones of embryonic Xenopus spinal neurons exhibited chemoattractive turning toward the source of netrin-1 but showed chemorepulsive responses in the presence of a competitive analog of cAMP or an inhibitor of protein kinase A. Both attractive and repulsive responses were abolished by depleting extracellular calcium and by adding a blocking antibody against the netrin-1 receptor Deleted in Colorectal Cancer. Thus, nerve growth cones may respond to the same guidance cue with opposite turning behavior, dependent on other coincident signals that set the level of cytosolic cAMP.

Astroglia from the postnatal cerebral cortex can be reprogrammed in vitro to generate neurons following forced expression of neurogenic transcription factors, thus opening new avenues towards a potential use of endogenous astroglia for brain repair. However, in previous attempts astroglia-derived neurons failed to establish functional synapses, a severe limitation towards functional neurogenesis. It remained therefore also unknown whether neurons derived from reprogrammed astroglia could be directed towards distinct neuronal subtype identities by selective expression of distinct neurogenic fate determinants. Here we show that strong and persistent expression of neurogenic fate determinants driven by silencing-resistant retroviral vectors instructs astroglia from the postnatal cortex in vitro to mature into fully functional, synapse-forming neurons. Importantly, the neurotransmitter fate choice of astroglia-derived neurons can be controlled by selective expression of distinct neurogenic transcription factors: forced expression of the dorsal telencephalic fate determinant neurogenin-2 (Neurog2) directs cortical astroglia to generate synapse-forming glutamatergic neurons; in contrast, the ventral telencephalic fate determinant Dlx2 induces a GABAergic identity, although the overall efficiency of Dlx2-mediated neuronal reprogramming is much lower compared to Neurog2, suggesting that cortical astroglia possess a higher competence to respond to the dorsal telencephalic fate determinant. Interestingly, however, reprogramming of astroglia towards the generation of GABAergic neurons was greatly facilitated when the astroglial cells were first expanded as neurosphere cells prior to transduction with Dlx2. Importantly, this approach of expansion under neurosphere conditions and subsequent reprogramming with distinct neurogenic transcription factors can also be extended to reactive astroglia isolated from the adult injured cerebral cortex, allowing for the selective generation of glutamatergic or GABAergic neurons. These data provide evidence that cortical astroglia can undergo a conversion across cell lineages by forced expression of a single neurogenic transcription factor, stably generating fully differentiated neurons. Moreover, neuronal reprogramming of astroglia is not restricted to postnatal stages but can also be achieved from terminally differentiated astroglia of the adult cerebral cortex following injury-induced reactivation.

With the exception of astroglia-like cells in the neurogenic niches of the telencephalic subependymal or hippocampal subgranular zone, astroglia in all other regions of the adult mouse brain do not normally generate neurons. Previous studies have shown, however, that early postnatal cortical astroglia in culture can be reprogrammed to adopt a neuronal fate after forced expression of Pax6, a transcription factor (TF) required for proper neuronal specification during embryonic corticogenesis. Here we show that also the proneural genes neurogenin-2 and Mash1 (mammalian achaete schute homolog 1) possess the ability to reprogram astroglial cells from early postnatal cerebral cortex. By means of time-lapse imaging of green fluorescent astroglia, we provide direct evidence that it is indeed cells with astroglial characteristics that give rise to neurons. Using patch-clamp recordings in culture, we show that astroglia-derived neurons acquire active conductances and are capable of firing action potentials, thus displaying hallmarks of true neurons. However, independent of the TF used for reprogramming, astroglia-derived neurons appear to mature more slowly compared with embryonic-born neurons and fail to generate a functional presynaptic output within the culturing period. However, when cocultured with embryonic cortical neurons, astroglia-derived neurons receive synaptic input, demonstrating that they are competent of establishing a functional postsynaptic compartment. Our data demonstrate that single TFs are capable of inducing a remarkable functional reprogramming of astroglia toward a truly neuronal identity.

Neural stem cells in the adult mouse SVZ are thought to only generate GABAergic olfactory bulb interneurons. This study reports that a dorsal region of the adult SVZ gives rise to a glutamatergic type of olfactory bulb neurons. These newborn glutamatergic neurons can be diverted to migrate into the cortex towards an injury, possibly contributing to repair. The adult mouse subependymal zone (SEZ) harbors neural stem cells that are thought to exclusively generate GABAergic interneurons of the olfactory bulb. We examined the adult generation of glutamatergic juxtaglomerular neurons, which had dendritic arborizations that projected into adjacent glomeruli, identifying them as short-axon cells. Fate mapping revealed that these originate from Neurog2- and Tbr2-expressing progenitors located in the dorsal region of the SEZ. Examination of the progenitors of these glutamatergic interneurons allowed us to determine the sequential expression of transcription factors in these cells that are thought to be hallmarks of glutamatergic neurogenesis in the developing cerebral cortex and adult hippocampus. Indeed, the molecular specification of these SEZ progenitors allowed for their recruitment into the cerebral cortex after a lesion was induced. Taken together, our data indicate that SEZ progenitors not only produce a population of adult-born glutamatergic juxtaglomerular neurons, but may also provide a previously unknown source of progenitors for endogenous repair.

Despite the widespread interest in direct neuronal reprogramming, the mechanisms underpinning fate conversion remain largely unknown. Our study revealed a critical time point after which cells either successfully convert into neurons or succumb to cell death. Co-transduction with Bcl-2 greatly improved negotiation of this critical point by faster neuronal differentiation. Surprisingly, mutants with reduced or no affinity for Bax demonstrated that Bcl-2 exerts this effect by an apoptosis-independent mechanism. Consistent with a caspase-independent role, ferroptosis inhibitors potently increased neuronal reprogramming by inhibiting lipid peroxidation occurring during fate conversion. Genome-wide expression analysis confirmed that treatments promoting neuronal reprogramming elicit an anti-oxidative stress response. Importantly, co-expression of Bcl-2 and anti-oxidative treatments leads to an unprecedented improvement in glial-to-neuron conversion after traumatic brain injury in vivo, underscoring the relevance of these pathways in cellular reprograming irrespective of cell type in vitro and in vivo.

The adult cerebral cortex lacks the capacity to replace degenerated neurons following traumatic injury. Conversion of nonneuronal cells into induced neurons has been proposed as an innovative strategy toward brain repair. Here, we show that retrovirus-mediated expression of the transcription factors Sox2 and Ascl1, but strikingly also Sox2 alone, can induce the conversion of genetically fate-mapped NG2 glia into induced doublecortin (DCX)(+) neurons in the adult mouse cerebral cortex following stab wound injury in vivo. In contrast, lentiviral expression of Sox2 in the unlesioned cortex failed to convert oligodendroglial and astroglial cells into DCX(+) cells. Neurons induced following injury mature morphologically and some acquire NeuN while losing DCX. Patch-clamp recording of slices containing Sox2- and/or Ascl1-transduced cells revealed that a substantial fraction of these cells receive synaptic inputs from neurons neighboring the injury site. Thus, NG2 glia represent a potential target for reprogramming strategies toward cortical repair.