Summary Activity in the healthy brain relies on concerted interplay of excitation (E) and inhibition (I) via balanced synaptic communication between glutamatergic and GABAergic neurons. A growing number of studies imply that disruption of this E/I balance is a commonality in many brain disorders, however, obtaining mechanistic insight into these disruptions, with translational value for the human patient, has typically been hampered by methodological limitations. Cadherin-13 ( CDH13 ) has strongly been associated to attention-deficit/hyperactivity disorder and comorbid disorders such as autism and schizophrenia. CDH13 localises at inhibitory presynapses, specifically of parvalbumin (PV) and somatostatin (SST) expressing GABAergic neurons. However, the mechanism by which CDH13 regulates the function of inhibitory synapses in human neurons remains unknown. Starting from human induced pluripotent stem cells, we established a robust method to generate a homogenous population of SST and PV expressing GABAergic neurons (iGABA) in vitro , and co-cultured these with glutamatergic neurons at defined E/I ratios on micro-electrode arrays. We identified functional network parameters that are most reliably affected by GABAergic modulation as such, and through alterations of E/I balance by reduced expression of CDH13 in iGABAs. We found that CDH13-deficiency in iGABAs decreased E/I balance by means of increased inhibition. Moreover, CDH13 interacts with Integrin-β1 and Integrin-β3, which play opposite roles in the regulation of inhibitory synaptic strength via this interaction. Taken together, this model allows for standardized investigation of the E/I balance in a human neuronal background and can be deployed to dissect the cell-type specific contribution of disease genes to the E/I balance.

Abstract Autophagy is a finely tuned process of programmed degradation and recycling of proteins and cellular components, which is crucial in neuronal function and synaptic integrity. Mounting evidence implicates chromatin remodelling in fine-tuning autophagy pathways. However, this epigenetic regulation is poorly understood in neurons. Here, we investigate the role in autophagy of KANSL1, a member of the nonspecific lethal complex, which acetylates histone H4 on lysine 16 (H4K16ac) to facilitate transcriptional activation. Loss-of-function of KANSL1 is strongly associated with the neurodevelopmental disorder Koolen-de Vries Syndrome (KdVS). Starting from KANSL1-deficient human induced-pluripotent stem cells, both from KdVS patients and genome-edited lines, we identified superoxide dismutase 1, an antioxidant enzyme, to be significantly decreased, leading to a subsequent increase in oxidative stress and autophagosome accumulation. In KANSL1-deficient neurons, autophagosome accumulation at excitatory synapses resulted in reduced synaptic density, reduced AMPA receptor-mediated transmission and impaired neuronal network activity. Furthermore, we found that increased oxidative stress-mediated autophagosome accumulation leads to increased mTOR activation and decreased lysosome function, further preventing the clearing of autophagosomes. Finally, by pharmacologically reducing oxidative stress, we could rescue the aberrant autophagosome formation as well as synaptic and neuronal network activity in KANSL1-deficient neurons. Our findings thus point towards an important relation between oxidative stress-induced autophagy and synapse function, and demonstrate the importance of H4K16ac-mediated changes in chromatin structure to balance reactive oxygen species- and mTOR-dependent autophagy.

Abstract Background Monoamine neurotransmitter abundance affects motor control, emotion, and cognitive function and is regulated by monoamine oxidases. Amongst these, monoamine oxidase A (MAOA) catalyzes the degradation of dopamine, norepinephrine, and serotonin into their inactive metabolites. Loss-of-function mutations in the X-linked MAOA gene cause Brunner syndrome, which is characterized by various forms of impulsivity, maladaptive externalizing behavior, and mild intellectual disability. Impaired MAOA activity in individuals with Brunner syndrome results in bioamine aberration, but it is currently unknown how this affects neuronal function. Methods We generated human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived dopaminergic (DA) neurons from three individuals with Brunner syndrome carrying different mutations, and used CRISPR/Cas9 mediated homologous recombination to rescue MAOA function. We used these lines to characterize morphological and functional properties of DA neuronal cultures at the single cell and neuronal network level in vitro . Results Brunner syndrome DA neurons showed reduced synaptic density but hyperactive network activity. Intrinsic functional properties and α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR)-mediated synaptic transmission were not affected by MAOA dysfunction. Instead, we show that the neuronal network hyperactivity is mediated by upregulation of the GRIN2A and GRIN2B subunits of the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR), and rescue of MAOA results in normalization of NMDAR function as well as restoration of network activity. Conclusions Our data suggest that MAOA dysfunction in Brunner syndrome increases activity of dopaminergic neurons through upregulation of NMDAR function, which may contribute to Brunner syndrome associated phenotypes.

Abstract Micro-electrode arrays (MEAs) are increasingly used to characterize neuronal network activity of human induced pluripotent stem-cell (hiPSC)-derived neurons. Despite their gain in popularity, MEA recordings from hiPSC-derived neuronal networks are not always used to their full potential in respect to experimental design, execution and data analysis. Therefore, we benchmarked the robustness and sensitivity of MEA-derived neuronal activity patterns derived from ten healthy individual control lines. We provide recommendations on experimental design and analysis to achieve standardization. With such standardization, MEAs can be used as a reliable platform to distinguish (disease-specific) network phenotypes. In conclusion, we show that MEAs are a powerful and robust tool to uncover functional neuronal network phenotypes from hiPSC-derived neuronal networks, and provide an important resource to advance the hiPSC field towards the use of MEAs for disease-phenotyping and drug discovery.

Koolen-de Vries Syndrome (KdVS) is a neurodevelopmental disorder (NDD) with no treatment options due to a lack of understanding of its underlying pathophysiology. To investigate neuronal activity in KdVS, human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neurons from KdVS and control subjects were cultured on microelectrode arrays (MEAs). Our study identified reduced network burst rates, indicating disorganized network activity in KdVS neurons. To bridge molecular and functional aspects of the syndrome, we developed an experimental framework, MEA-seq, that integrates network activity measurements with high-throughput transcriptome profiling. This approach identified a negative correlation between the expression of the NDD-associated gene CLCN4 and the network burst rate. Consequently, knockdown of CLCN4 in KdVS neurons restored the activity to control level, confirming a causal relationship between increased CLCN4 expression and reduced network burst rate. Additionally, we identified a positive correlation between mitochondrial gene expression and the network burst rate, and identified impaired mitochondrial function in KdVS hiPSC-derived neurons. The transcriptomic signature of KdVS neurons was then used for computational screening against drug perturbation signatures of the LINCS Consortium database, predicting other drug targets and compounds capable of reversing the expression of affected genes in KdVS neurons. We selected 10 compounds for experimental validation, identifying the antioxidant phloretin and the Rho-kinase inhibitor fasudil as potential candidates for restoring the network activity dysfunction in KdVS. We conclude that the integrative molecular and electrophysiological of hiPSC-derived neurons with MEA-seq has excellent potential for identifying novel drugs and druggable pathways for KdVS and other NDDs.

Epigenetic regulation of gene transcription plays a critical role in neural network development and in the etiology of Intellectual Disability (ID) and Autism Spectrum Disorder (ASD). However, little is known about the mechanisms by which epigenetic dysregulation leads to neural network defects. Kleefstra syndrome (KS), caused by mutation in the histone methyltransferase EHMT1, is a neurodevelopmental disorder with the clinical features of both ID and ASD. To study the impact of decreased EHMT1 function in human cells, we generated excitatory cortical neurons from induced pluripotent stem (iPS) cells derived from KS patients. In addition, we created an isogenic set by genetically editing healthy iPS cells. Characterization of the neurons at the single-cell and neuronal network level revealed consistent discriminative properties that distinguished EHMT1-mutant from wildtype neurons. Mutant neuronal networks exhibited network bursting with a reduced rate, longer duration, and increased temporal irregularity compared to control networks. We show that these changes were mediated by the upregulation of the NMDA receptor (NMDAR) subunit 1 and correlate with reduced deposition of the repressive H3K9me2 mark, the catalytic product of EHMT1, at the GRIN1 promoter. Furthermore, we show that EHMT1 deficiency in mice leads to similar neuronal network impairments and increased NMDAR function. Finally, we could rescue the KS patient-derived neuronal network phenotypes by pharmacological inhibition of NMDARs. Together, our results demonstrate a direct link between EHMT1 deficiency in human neurons and NMDAR hyperfunction, providing the basis for a more targeted therapeutic approach to treating KS.

Summary Mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis and stroke-like episodes (MELAS) is often caused by an adenine to guanine mutation at m.3243 (m.3243A>G) of the MT-TL1 gene (tRNA leu(UUR) ). To understand how this mutation affects the nervous system, we differentiated human induced-pluripotent stem cells (iPSCs) into excitatory neurons with normal (low heteroplasmy) and impaired (high heteroplasmy) mitochondrial function from MELAS patients with the m.3243A>G mutation. We combined micro-electrode array (MEA) measurements with RNA sequencing (MEA-seq) and found that the m.3243A>G mutation affects expression of genes involved in mitochondrial respiration- and presynaptic function, as well as non-cell autonomous processes in co-cultured astrocytes. Finally, we show that the clinical II stage drug sonlicromanol (KH176) improved neuronal network activity in a patient-specific manner when treatment is initiated early in development. This was intricately linked with changes in the neural transcriptome. Overall, MEA-seq is a powerful approach to identify mechanisms underlying the m.3243A>G mutation and to study the effect of pharmacological interventions in iPSC-derived neurons. Highlights - High m.3243A>G heteroplasmy leads to lower neuronal network activity and synchronicity - High heteroplasmy affects expression of genes involved in mitochondrial ATP production and the synaptic function / the presynaptic vesicle cycle - High neuronal heteroplasmy non cell autonomously affects gene expression in healthy co-cultured astrocytes - Sonlicromanol partially rescues neuronal network activity and transcriptome changes induced by high heteroplasmy eTOC Blurb Using human inducible pluripotent stem cell-derived neurons with high levels of m.3243A>G heteroplasmy, Klein Gunnewiek et al. show transcriptome changes underlying the functional neuronal network phenotype, and how sonlicromanol can partially improve both this neuronal network phenotype, and the transcriptome changes, in a patient-specific manner.

Mechanisms that underlie homeostatic plasticity have been extensively investigated at single-cell levels in animal models, but are less well understood at the network level. Here, we used microelectrode arrays to characterize neuronal networks following induction of homeostatic plasticity in human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived glutamatergic neurons co-cultured with rat astrocytes. Chronic suppression of neuronal activity through tetrodotoxin (TTX) elicited a time-dependent network re-arrangement. Increased expression of AMPA receptors and the elongation of axon initial segments were associated with increased network excitability following TTX treatment. Transcriptomic profiling of TTX-treated neurons revealed up-regulated genes related to extracellular matrix organization, while down-regulated genes related to cell communication; also astrocytic gene expression was found altered. Overall, our study shows that hiPSC-derived neuronal networks provide a reliable in vitro platform to measure and characterize homeostatic plasticity at network and single-cell level; this platform can be extended to investigate altered homeostatic plasticity in brain disorders.