We present a machine-learning method to prioritize the cell types most responsive to biological perturbations within high-dimensional single-cell data. We validate our method, Augur (https://github.com/neurorestore/Augur), on a compendium of single-cell RNA-seq, chromatin accessibility, and imaging transcriptomics datasets. We apply Augur to expose the neural circuits that enable walking after paralysis in response to spinal cord neurostimulation.

Summary Peripheral nervous system injuries lead to long-term neurological disability due to limited axonal regenerative ability. Injury-dependent and -independent physiological mechanisms have provided important molecular insight into neuronal regeneration. However, whether common molecular denominators underpin both injury-dependent and independent biological processes remain unclear. Here, we performed a comparative analysis of recently generated transcriptomic datasets associated with the regenerative ability of sciatic dorsal root ganglia (DRG). Surprisingly, circadian rhythms were identified as a the most significantly enriched biological process associated with regenerative capability. We demonstrate that DRG neurons possess an endogenous circadian clock with a 24h oscillations of circadian genes and that their regenerative ability displays a diurnal oscillation in a mouse model of sciatic nerve injury. Consistently, transcriptomic analysis of DRG neurons showed a significant time-of-day dependent enrichment for processes associated with axonal regeneration, development and growth, as well as circadian associated genes, including the core clock genes Bmal1 and Clock . Indeed, DRG-specific ablation of the non-redundant clock gene Bmal1 showed that it is required for regenerative gene expression, neuronal intrinsic circadian regeneration and target reinnervation. Lastly, lithium, a chrono-active compound, enhanced nerve regeneration, in wildtype but not in Bmal1 and Cry1/2 -deficient mice. Together, these data demonstrate that daily rhythms and the molecular clock fine-tune the regenerative response of DRG neurons, and that chrono-active drugs, such as lithium, are a novel potential approach to nerve repair.

The molecular mechanisms discriminating between regenerative failure and success remain elusive. While a regeneration-competent peripheral nerve injury mounts a regenerative gene expression response in bipolar dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons, a regeneration-incompetent central spinal cord injury does not. This dichotomic response offers a unique opportunity to investigate the fundamental biological mechanisms underpinning regenerative ability. Following a pharmacological screen with small molecule inhibitors targeting key epigenetic enzymes in DRG neurons we identified HDAC3 signalling as a novel candidate brake to axonal regenerative growth. In vivo, we determined that only a regenerative peripheral but not a central spinal injury induces an increase in calcium, which activates protein phosphatase 4 that in turn dephosphorylates HDAC3 thus impairing its activity and enhancing histone acetylation. Bioinformatics analysis of ex vivo H3K9ac ChIPseq and RNAseq from DRG followed by promoter acetylation and protein expression studies implicated HDAC3 in the regulation of multiple regenerative pathways. Finally, genetic or pharmacological HDAC3 inhibition overcame regenerative failure of sensory axons following spinal cord injury. Together, these data indicate that PP4-dependent HDAC3 dephosphorylation discriminates between axonal regeneration and regenerative failure.

Regeneration after injury occurs in axons that lie in the peripheral nervous system but it fails in the central nervous system limiting functional recovery. Despite recent progress, the signalling response to injury of peripheral versus central projecting axons that might underpin this differential regenerative ability is currently largely uncharacterized. To fill this knowledge gap, here we combined axoplasmic proteomics from peripheral sciatic or central projecting dorsal root axons from sciatic DRG neurons. Proteomics was combined with cell body RNAseq to compare axonal and soma responses between a spinal regeneration-incompetent versus sciatic regeneration-competent nerve injury. This allowed the identification of injury-dependent signalling pathways uniquely represented in peripheral versus central projecting sciatic DRG axons. RNAseq and proteomics analysis suggested AMPK as a putative regulator of axonal regenerative signalling pathways. AMPK immunoprecipitation followed by mass spectrometry from DRG suggested that the 26S proteasome and its regulatory subunit PSMC5 preferentially interact with AMPKα for proteasomal degradation following sciatic axotomy. Mechanistically, we found that the proteasome and CaMKIIα-dependent proteasomal subunit PSMC5 regulates AMPKα1 protein expression. Finally, conditional deletion of AMPKα1 promoted multiple regenerative signalling pathways and robust axonal growth across the injured spinal cord, suggesting inhibition of AMPK as a novel regenerative target following spinal injury.

Abstract Cyclin-dependent-like kinase 5 (Cdkl5) gene mutations lead to an X-linked disorder that is characterized by infantile epileptic encephalopathy, developmental delay and hypotonia. However, we found that a substantial percentage of these patients also report a previously unrecognised anamnestic deficiency in pain perception. Consistent with a role in nociception, we discovered that Cdkl5 is expressed selectively in nociceptive dorsal root ganglia (DRG) neurons in mice and in iPS-derived human nociceptors. CDKL5 deficient mice display defective epidermal innervation and conditional deletion of Cdkl5 in DRG sensory neurons significantly impairs nociception, phenocopying CDKL5 deficiency disorder in patients. Mechanistically, Cdkl5 interacts with CaMKIIα to control outgrowth as well as TRPV1-dependent signalling, which are disrupted in both Cdkl5 mutant murine DRG and human iPS-derived nociceptors. Together, these findings unveil a previously unrecognized role for Cdkl5 in nociception, proposing an original regulatory mechanism for pain perception with implications for future therapeutics in CDKL5 deficiency disorder. One Sentence Summary Cyclin-dependent-like kinase 5 (Cdkl5) controls nociception in patients and murine models of Cdkl5 deficiency disorder via CaMKII-dependent mechanisms

Cyclin-dependent-like kinase 5 ( Cdkl5) gene mutations lead to an X-linked disorder that is characterized by infantile epileptic encephalopathy, developmental delay and hypotonia. However, we found that a substantial percentage of these patients also report a previously unrecognised anamnestic deficiency in pain perception. Consistent with a role in nociception, we discovered that Cdkl5 is expressed selectively in nociceptive dorsal root ganglia (DRG) neurons in mice and in iPS-derived human nociceptors. CDKL5 deficient mice display defective epidermal innervation and conditional deletion of Cdkl5 in DRG sensory neurons significantly impairs nociception, phenocopying CDKL5 deficiency disorder in patients. Mechanistically, Cdkl5 interacts with CaMKIIα to control outgrowth as well as TRPV1-dependent signalling, which are disrupted in both Cdkl5 mutant murine DRG and human iPS-derived nociceptors. Together, these findings unveil a previously unrecognized role for Cdkl5 in nociception, proposing an original regulatory mechanism for pain perception with implications for future therapeutics in CDKL5 deficiency disorder.One Sentence Summary Cyclin-dependent-like kinase 5 (Cdkl5) controls nociception in patients and murine models of Cdkl5 deficiency disorder via CaMKII-dependent mechanisms