How astrocytes close a critical period During the visual critical period, brain circuits are rewired to adjust to sensory input. Closure of the critical period stabilizes the circuits. Looking at development in the mouse visual cortex, Ribot et al. found that astrocytes increase their expression of the gap junction channel subunit connexin 30, which in turn inhibits expression of a matrix-degrading enzyme (see the Perspective by Kofuji and Araque). As the matrix stabilizes, inhibitory interneurons mature, and the unusual flexibility of the critical period comes to an end. Science , abf5273, this issue p. 77 ; see also abj6745, p. 29

Local translation is a conserved molecular mechanism conferring cells the ability to quickly respond to local stimuli. It not only permits cells with complex morphology to bypass somatic protein synthesis and transport, but also contributes locally to the establishment of molecular and functional polarity. In the brain, local translation has been extensively studied in neurons and has only been recently reported in astrocytes, whose fine processes contact both blood vessels and synapses. Yet the specificity and regulation of astrocyte local translation remain unknown. Here, we studied hippocampal perisynaptic astrocytic processes (PAPs) and show that they contain all the machinery for translation. Using our recently refined polysome immunoprecipitation technique, we then characterized the pool of polysomal mRNAs in PAPs, referred to as the PAPome, and compared it to the one found in the whole astrocyte. We found that the PAPome encoded an unexpected molecular repertoire, mostly composed of cytoplasmic proteins and of proteins involved in iron homeostasis, translation, cell cycle and cytoskeleton. Among them, ezrin (Ezr), ferritin heavy chain 1 (Fth1) and 60S acidic ribosomal protein1 (Rplp1) were enriched in PAPs compared to perivascular astrocytic processes, indicating that local translation differs at these two interfaces. Remarkably, PAPs were also enriched in transcripts coding for proteins involved in learning and memory, such as ferritin (Ftl1 and Fth1), G1/S-specific cyclin-D2 (Ccnd2), E3 ubiquitin-protein ligase (Mdm2) , Receptor of activated protein C kinase 1 (Gnb2l1) and Elongation factor 1-alpha 1 (Eef1a1). To address their regulation in a physiological context, we assessed their local translation after fear conditioning. We found alterations in their density and/or distribution in astrocytes as well as a drop in their translation specifically in PAPs. In all, our results reveal an unexpected molecular repertoire of hippocampal PAPs, which is regulated by local translation during learning and memory processes.

Summary The regulation of translation in astrocytes, the main glial cells in the brain, remains poorly characterized. We developed a high-throughput proteomic screen for polysome-associated proteins in astrocytes and focused on the ribosomal protein receptor of activated protein C kinase 1 (RACK1), a critical factor in translational regulation. In astrocyte somata and perisynaptic astrocytic processes (PAPs), RACK1 preferentially bound to a number of mRNAs, including Kcnj10 , encoding the inward rectifying potassium (K + ) channel KIR4.1, a critical astrocytic regulator of neurotransmission. By developing an astrocyte-specific, conditional RACK1 knock-out mouse model, we showed that RACK1 repressed the production of KIR4.1 in hippocampal astrocytes and PAPs. Reporter-based assays revealed that RACK1 controlled Kcnj10 translation through the transcript’s 5’ untranslated region. Upregulation of KIR4.1 in the absence of RACK1 modified the astrocyte territory volume and neuronal activity attenuatin burst frequency and duration in the hippocampus. Hence, astrocytic RACK1 represses KIR4.1 translation and influences neuronal activity.

Summary paragraph Brain postnatal development is characterized by critical periods of experience-dependent remodeling 1,2 . Termination of these periods of intense plasticity is associated with settling of neuronal circuits, allowing for efficient information processing 3 . Failure to end critical periods thus results in neurodevelopmental disorders 4,5 . Yet, the cellular processes defining the timing of these developmental periods remain unclear. Here we show in the mouse visual cortex that astrocytes control the closure of the critical period. We uncover a novel underlying pathway involving regulation of the extracellular matrix that allows interneurons maturation via an unconventional astroglial connexin signaling. We find that timing of the critical period closure is controlled by a marked developmental upregulation of the astroglial protein connexin 30 that inhibits expression of the matrix degrading enzyme MMP9 through the RhoA-GTPase signaling pathway. Our results thus demonstrate that astrocytes not only influence activity and plasticity of single synapses, but are also key elements in the experience-dependent wiring of brain developing circuits. This work, by revealing that astrocytes promote the maturation of inhibitory circuits, hence provide a new cellular target to alleviate malfunctions associated to impaired closure of critical periods.

Abstract Presynaptic glutamate replenishment is fundamental to brain function. In high activity regimes, such as epileptic episodes, this process is thought to rely on the glutamate-glutamine cycle between neurons and astrocytes. However the presence of an astroglial glutamine supply, as well as its functional relevance in vivo in the healthy brain remain controversial, partly due to a lack of tools that can directly examine glutamine transfer. Here, we generated a novel fluorescent probe that tracks glutamine in live cells, which provided direct visual evidence of an activity-dependent glutamine supply from astroglial networks to presynaptic structures under physiological conditions. This mobilization is mediated by connexin43, an astroglial protein with both gap-junction and hemichannel functions, and is essential for synaptic transmission and object recognition memory. Our findings uncover an indispensable recruitment of astroglial glutamine in physiological synaptic activity and memory via an unconventional pathway, thus providing an astrocyte basis for cognitive processes.