Abstract Post-zygotic mutations incurred during DNA replication, DNA repair, and other cellular processes lead to somatic mosaicism. Somatic mosaicism is an established cause of various diseases, including cancers. However, detecting mosaic variants in DNA from non-cancerous somatic tissues poses significant challenges, particularly if the variants only are present in a small fraction of cells. Here, the Brain Somatic Mosaicism Network conducted a coordinated, multi-institutional study to: (i) examine the ability of existing methods to detect simulated somatic single nucleotide variants (SNVs) in DNA mixing experiments; (ii) generate multiple replicates of whole genome sequencing data from the dorsolateral prefrontal cortex, other brain regions, dura mater, and dural fibroblasts of a single neurotypical individual; (iii) devise strategies to discover somatic SNVs; and (iv) apply various approaches to validate somatic SNVs. These efforts led to the identification of 43 bona fide somatic SNVs that ranged in variant allele fractions from ~0.005 to ~0.28. Guided by these results, we devised best practices for calling mosaic SNVs from 250X whole genome sequencing data in the accessible portion of the human genome that achieve 90% specificity and sensitivity. Finally, we demonstrated that analysis of multiple bulk DNA samples from a single individual allows the reconstruction of early developmental cell lineage trees. Thus, this study provides a unified set of best practices to detect somatic SNVs in non-cancerous tissues. The data and methods are freely available to the scientific community and should serve as a guide to assess the contributions of somatic SNVs to neuropsychiatric diseases.

Adult neurogenesis persists in mammals in the neurogenic zones where newborn neurons are incorporated into existing neuronal circuits. Relevant molecular elements of the neurogenic niches include the family of Cell Adhesion Molecules (CAM), which participate in signal transduction and regulate radial glial progenitor's (RGPs) survival, division and differentiation. The Neural Cell Adhesion Molecule 2 (NCAM2) is expressed in brain development and in adult stages, and controls dendrite arborisation and synaptic formation and maintenance during development. Nevertheless, the role of NCAM2 in neurogenesis and lineage progression is not well understood. Here we analyse the functions of NCAM2 in the regulation of RGPs in adult neurogenesis in the dentate gyrus and during corticogenesis, by using different lentiviral-mediated genetic approaches to modulate its expression, both in vivo and in vitro. First, we characterized the expression of NCAM2 among the main actors of the neurogenic process revealing different levels of NCAM2 amid the progression of RGPs and the formation of juvenile neurons. Further, we show that overexpression of NCAM2 arrest infected cells in a RGP-like state, with characteristic morphological, immunocytochemical and electron microscopy features. In contrast, NCAM2 overexpression in embryonic cortical progenitors does not seems to alter cell fate, but causes transient migration deficits. These results reveal a differential role of NCAM2 in the regulation of adult and embryonic RGPs, and specifically, a significant implication of NCAM2 in the regulation and progression of RGPs during adult neurogenesis in the hippocampus.

ABSTRACT Alzheimer’s disease comprises amyloid-β (Aβ) and hyperphosphorylated Tau (P-Tau) accumulation, imbalanced neuronal activity, aberrant oscillatory rhythms, and cognitive deficits. Non-Demented with Alzheimer’s disease Neuropathology (NDAN) defines a novel clinical entity with Aβ and Tau pathologies, but preserved cognition. The mechanisms underlying such neuroprotection remain undetermined and animal models are currently unavailable for NDAN. We show that J20/VLW mice, accumulating Aβ and P-Tau, exhibit preserved hippocampal rhythmic activity and cognition, altered in J20 and VLW animals. Furthermore, we show that coexistence with Aβ renders a particular P-Tau signature in hippocampal interneurons. The GABAergic septohippocampal pathway, responsible for hippocampal rhythmic activity, is preserved in J20/VLW mice, in contrast to single mutants. Our data highlight J20/VLW mice as a suitable animal model to understand the mechanisms driving cognitive preservation in NDAN and suggest that a differential P-Tau pattern in hippocampal interneurons prevents GABAergic septohippocampal innervation loss and alterations in local field potentials, avoiding cognitive deficits.

The physiological activity of proteins is often studied with loss-of-function genetic approaches, but the corresponding phenotypes develop slowly and can be confounding. Photopharmacology allows direct, fast and reversible control of endogenous protein activity, with spatiotemporal resolution set by the illumination method. Here, we combine a photoswitchable allosteric modulator (alloswitch) and two-photon excitation (2PE) using pulsed near-infrared lasers to reversibly silence metabotropic glutamate receptor 5 (mGlu5) activity in intact brain tissue. Endogenous receptors can be photoactivated in neurons and astrocytes with pharmacological selectivity and with an axial resolution between 5 and 10 μm. Thus, two-photon pharmacology (2PP) using alloswitch allows investigating mGlu5-dependent processes in wild type animals, including synaptic formation and plasticity, and signaling pathways from intracellular organelles.

Abstract In neurons, mitochondrial dynamics and trafficking are essential to provide the energy required for neurotransmission and neuronal activity. Recent studies point to GPCR and G proteins as important regulators of mitochondrial dynamics and energy metabolism. Here we show that activation of Gα q negatively regulates mitochondrial dynamics and trafficking in neurons. Gα q interacts with the mitochondrial trafficking protein Alex3. By generating a CNS-specific armcx3 knock-out mouse line, we demonstrate that Alex3 is required for Gα q effects on mitochondrial dynamics and trafficking, and dendritic growth. Armcx3 -deficient mice present decreased OXPHOS complex and ER stress response protein levels, which correlate with increased neuronal death, motor neuron and neuromuscular synaptic loss, and severe motor alterations. Finally, we show that Alex3 disassembles from the Miro1/Gα q complex upon calcium rise. These data uncover a novel Alex3/Gα q complex that regulates neuronal mitochondrial dynamics and neuronal death and allows the control of mitochondrial functions by GPCRs.

Abstract In addition to neuronal migration, brain development and adult plasticity, the extracellular matrix protein Reelin has been extensively implicated in human psychiatric disorders such as schizophrenia, bipolar disorder and autistic spectrum disorder. Moreover, heterozygous reeler mice exhibit features reminiscent of these disorders, while overexpression of Reelin protects against its manifestation. However, how Reelin influences the structure and circuits of the striatal complex, a key region for the above-mentioned disorders, is far from being understood, especially when altered Reelin expression levels are found at adult stages. In the present study, we took advantage of complementary conditional gain- and loss-of-function mouse models to investigate how Reelin levels may modify adult brain’s striatal structure and neuronal composition. Using immunohistochemical techniques, we determined that Reelin does not seem to influence the striatal patch and matrix organization (studied by μ-opioid receptor immunohistochemistry) nor the density of medium spiny neurons (MSNs, studied with DARPP-32). We show that overexpression of Reelin leads to increased numbers of striatal Parvalbumin- and Cholinergic-interneurons, and to a slight increase in the tyrosine hydroxylase-positive projections. We conclude that increased Reelin levels might modulate the numbers of striatal interneurons and the density of the nigrostriatal dopaminergic projections, suggesting that these changes may be involved in the protection of Reelin against neuropsychiatric disorders.

Abstract Brain connectivity requires correct axonal guidance to drive axons to their appropriate targets. This process is orchestrated by guidance cues that exert attraction or repulsion to developing axons. However, the intricacies of the cellular machinery responsible for the correct response of growth cones are just being unveiled. Netrin-1 is a bifunctional molecule involved in axon pathfinding and cell migration that induces repulsion during postnatal cerebellar development. This process is mediated by Uncoordinated locomotion 5 (UNC5) receptors located on external granule layer (EGL) tracts. Here, we demonstrate that this response is characterized by enhanced membrane internalization through macropinocytosis, but not clathrin-mediated endocytosis. We show that UNC5 receptors form a protein complex with the t-SNARE syntaxin-1 (Stx1). By combining botulinum neurotoxins, a shRNA knock-down strategy and Stx1 knock-out mice, we demonstrate that this SNARE protein is required for Netrin-1-induced macropinocytosis and chemorepulsion, suggesting that Stx1 is crucial in regulating Netrin-1-mediated axonal guidance.