Abstract Sensorimotor information processing that underlies normal cognitive and behavioral traits is dysregulated across a subset of neurological and psychiatric disorders. The cross-disease deficit in sensorimotor gating poses a unique opportunity to integrate hierarchical findings at molecular, cellular, through circuitry levels to obtain an in-depth mechanistic understanding of this process that contributes to brain physiology and pathophysiology beyond categorical segmentation of brain disorders. Based on circuitry recording with wild-type mice, we demonstrated that the cortico-striatal projection mediates sensorimotor gating responses during prepulse inhibition (PPI) task. We also found that these circuitry responses were disrupted in Disc1 locus-impairment (LI) mice, a model representing neuropsychiatric conditions. Thus, we hypothesized that Disc1-mediated molecular and cellular machinery along the cortico-striatal circuit may regulate sensorimotor gating. Anatomical and biochemical analyses of Disc1- LI mice revealed attenuated Bdnf transport along the cortico-striatal circuit. Pharmacologically augmenting Bdnf transport by chronic lithium administration, in part via Ser-421 phosphorylation of Huntingtin (Htt) and its integration into the motor machinery, restored the striatal Bdnf levels and PPI deficits in Disc1 -LI mice, suggesting that the Bdnf transport attenuation mechanistically underlies the circuitry and behavioral deficits. These results also shed light on a novel mechanism and utility of lithium that is currently used as a major mood stabilizer in clinical settings. Collectively, the present study illustrates integrative biological mechanisms for sensorimotor gating, underscoring the cross-disease nature of this behavioral dimension and translational utility of the findings under the era of precision medicine in brain disorders.

Abstract Dendritic actin networks develop from a first actin filament through branching by the Arp2/3 complex. At the surface of endosomes, the WASH complex activates the Arp2/3 complex and interacts with the Capping Protein for unclear reasons. Here we show that that the WASH complex interacts with Dynactin and uncaps it through its FAM21 subunit. In vitro, the uncapped Arp1/11 minifilament elongates an actin filament, which then primes the WASH-induced Arp2/3 branching reaction. In Dynactin-depleted cells or in cells where the WASH complex is reconstituted with a FAM21 mutant that cannot uncap Dynactin, formation of branched actin at the endosomal surface is impaired. Our results reveal the importance of the WASH complex in coordinating two complexes containing actin-related proteins. One Sentence Summary Dendritic actin networks grow in an autocatalytic manner starting from the uncapped minifilament of Dynactin.

Impaired hippocampal synaptic plasticity is increasingly considered to play an important role in cognitive impairment in Huntington disease (HD). However, the molecular basis of synaptic plasticity defects is not fully understood. Combining live-cell nanoparticle tracking and super-resolution imaging, we show that dysregulation of AMPA receptors (AMPARs) surface diffusion represents a molecular basis underlying the aberrant hippocampal synaptic plasticity during HD. AMPARs surface diffusion is increased in various HD neuronal models, which results in the failure of AMPARs surface stabilization after long-term potentiation (LTP) stimuli. This appears to result from a defective brain-derived neurotrophic factor (BDNF) - tyrosine receptor kinase B (TrkB) - Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) signaling pathway that impacts the interaction between the AMPAR auxiliary subunit stargazin and postsynaptic density protein 95 (PSD-95). Notably, the disturbed AMPAR surface diffusion is rescued, via BDNF signaling pathway and by the antidepressant tianeptine. Subchronic treatment with Tianeptine also restores the impaired LTP and hippocampus-dependent memory as well as anxiety/depression-like behavior in different HD mouse models. We thus unveil a mechanistic framework underlying hippocampal synaptic and memory dysfunction and propose a new perspective in HD treatment by targeting AMPAR surface diffusion.

Mutations in the X-linked MECP2 gene are responsible for Rett syndrome (RTT), a severe neurological disorder for which there is no treatment. Several studies have linked the loss of MeCP2 function to alterations of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) levels, but non-specific overexpression of BDNF only partially improves the phenotype of Mecp2 -deficient mice. We and others have previously shown that huntingtin (HTT) scaffolds molecular motor complexes, transports BDNF-containing vesicles, and is under-expressed in Mecp2 knock-out brains. Here we demonstrate that promoting HTT phosphorylation at Ser421, either by a phospho-mimetic mutation or inhibition of the phosphatase calcineurin, restores endogenous BDNF axonal transport in vitro in the corticostriatal pathway, increases striatal BDNF availability and synaptic connectivity in vivo , and improves the phenotype and the survival of Mecp2 knockout mice—even though treatments were initiated only after the mice had already developed symptoms. Stimulation of endogenous cellular pathways may thus be a promising approach for the treatment of RTT patients.

Microtubules are polymerized dimers of α- and β-tubulin that underlie a broad range of cellular activities. Acetylation of α-tubulin by the acetyl-transferase ATAT1 modulates microtubule dynamics and functions in neurons. However, it remains unclear how and why this enzyme acetylates microtubules over long distances in axons. Here, we show that loss of ATAT1 impairs axonal transport in neurons and cell free motility assays confirm a requirement of tubulin acetylation for proper bidirectional vesicular transport. Moreover, we demonstrate that the main cellular pool of ATAT1 is transported at the cytosolic side of neuronal vesicles that are moving along axons. Altogether, our data suggest that axonal transport of ATAT1-enriched vesicles is the predominant driver of α-tubulin acetylation in axons.

Abstract Microtubule (MT)-based transport is an evolutionary conserved processed finely tuned by posttranslational modifications. Among them, α-tubulin acetylation, which is catalyzed by the α-tubulin N-acetyltransferase 1, Atat1, promotes the recruitment and processivity of molecular motors along MT tracks. However, the mechanisms that controls Atat1 activity remains poorly understood. Here, we show that a pool of vesicular ATP-citrate lyase Acly acts as a rate limiting enzyme to modulate Atat1 activity by controlling availability of Acetyl-Coenzyme-A (Acetyl-CoA). In addition, we showed that Acly expression is reduced upon loss of Elongator activity, further connecting Elongator to Atat1 in the pathway regulating α -tubulin acetylation and MT-dependent transport in projection neurons, across species. Remarkably, comparable defects occur in fibroblasts from Familial Dysautonomia (FD) patients bearing an autosomal recessive mutation in the gene coding for the Elongator subunit ELP1. Our data may thus shine new light on the pathophysiological mechanisms underlying FD.