Energy use, mainly to reverse ion movements in neurons, is a fundamental constraint on brain information processing. Trafficking of mitochondria to locations in neurons where there are large ion fluxes is essential for powering neural function. Mitochondrial trafficking is regulated by Ca2+ entry through ionotropic glutamate receptors, but the underlying mechanism is unknown. We show that the protein Miro1 links mitochondria to KIF5 motor proteins, allowing mitochondria to move along microtubules. This linkage is inhibited by micromolar levels of Ca2+ binding to Miro1. With the EF hand domains of Miro1 mutated to prevent Ca2+ binding, Miro1 could still facilitate mitochondrial motility, but mitochondrial stopping induced by glutamate or neuronal activity was blocked. Activating neuronal NMDA receptors with exogenous or synaptically released glutamate led to Miro1 positioning mitochondria at the postsynaptic side of synapses. Thus, Miro1 is a key determinant of how energy supply is matched to energy usage in neurons.

Abstract Physical exercise can improve brain function and delay neurodegeneration; however, the initial signal from muscle to brain is unknown. Here we show that the lactate receptor (HCAR1) is highly enriched in pial fibroblast-like cells that line the vessels supplying blood to the brain, and in pericyte-like cells along intracerebral microvessels. Activation of HCAR1 enhances cerebral vascular endothelial growth factor A (VEGFA) and cerebral angiogenesis. High-intensity interval exercise (5 days weekly for 7 weeks), as well as L-lactate subcutaneous injection that leads to an increase in blood lactate levels similar to exercise, increases brain VEGFA protein and capillary density in wild-type mice, but not in knockout mice lacking HCAR1. In contrast, skeletal muscle shows no vascular HCAR1 expression and no HCAR1-dependent change in vascularization induced by exercise or lactate. Thus, we demonstrate that a substance released by exercising skeletal muscle induces supportive effects in brain through an identified receptor.

In the gray matter of the brain, astrocytes have been suggested to export lactate (derived from glucose or glycogen) to neurons to power their mitochondria. In the white matter, lactate can support axon function in conditions of energy deprivation, but it is not known whether lactate acts by preserving energy levels in axons or in oligodendrocytes, the myelinating processes of which are damaged rapidly in low energy conditions. Studies of cultured cells suggest that oligodendrocytes are the cell type in the brain that consumes lactate at the highest rate, in part to produce membrane lipids presumably for myelin. Here, we use pH imaging to show that oligodendrocytes in the white matter of the rat cerebellum and corpus callosum take up lactate via monocarboxylate transporters (MCTs), which we identify as MCT1 by confocal immunofluorescence and electron microscopy. Using cultured slices of developing cerebral cortex from mice in which oligodendrocyte lineage cells express GFP (green fluorescent protein) under the control of the Sox10 promoter, we show that a low glucose concentration reduces the number of oligodendrocyte lineage cells and myelination. Myelination is rescued when exogenous l -lactate is supplied. Thus, lactate can support oligodendrocyte development and myelination. In CNS diseases involving energy deprivation at times of myelination or remyelination, such as periventricular leukomalacia leading to cerebral palsy, stroke, and secondary ischemia after spinal cord injury, lactate transporters in oligodendrocytes may play an important role in minimizing the inhibition of myelination that occurs.

Abstract Neonatal cerebral hypoxia-ischemia (HI) is the leading cause of death and disability in newborns with the only current treatment option being hypothermia. An increased understanding of the pathways that facilitate tissue repair after HI can aid the development of better treatments. Here we have studied the role of lactate receptor HCAR1 (Hydroxycarboxylic acid receptor 1) in tissue repair after HI in mice. We show that HCAR1 knockout (KO) mice have reduced tissue regeneration compared with wildtype (WT) mice. Further, proliferation of neural progenitor cells and microglial activation were impaired after HI. Transcriptome analysis showed a strong transcriptional response to HI in the subventricular zone of WT mice involving about 7300 genes. In contrast, the HCAR1 KO mice showed a very modest response to HI, involving about 750 genes. Notably, fundamental processes involved in tissue repair such as cell cycle and innate immunity were dysregulated in HCAR1 KO. Taken together, our data suggest that HCAR1 is a key transcriptional regulator of the pathways that promote tissue regeneration after HI. Thus, HCAR1 could be a promising therapeutic target in the treatment of neonatal HI and other forms of brain ischemia.

Abstract Glioblastoma is the most prevalent and aggressive malignant tumor of the central nervous system. With a median overall survival of only one year, glioblastoma patients have a particularly poor prognosis, highlighting a clear need for novel therapeutic strategies to target this disease. Transcriptional cyclin-dependent kinases (tCDK), which phosphorylate key residues of RNA polymerase II (RNAPII) c-terminal domain (CTD), play a major role in sustaining aberrant transcriptional programs that are key to development and maintenance of cancer cells. Here, we show that either pharmacological inhibition or genetic ablation of the tCDKs, CDK12 and CDK13, markedly reduces both the proliferation and migratory capacity of glioma cells and patient-derived organoids. Using a xenograft mouse model, we demonstrate that CDK12/13 inhibition not only reduces glioma growth in vivo . Mechanistically, inhibition of CDK12/CDK13 leads to a genome-wide abrogation of RNAPII CTD phosphorylation, which in turn disrupts transcription and cell cycle progression in glioma cells. In summary, the results provide proof-of-concept for the potential of CDK12 and CDK13 as therapeutic targets for glioblastoma. Significance statement Glioblastoma is a common, aggressive, and invasive type of brain tumor that is usually fatal. The standard treatment for glioblastoma patients is surgical resection, radiotherapy, and chemotherapy with DNA-alkylating agents, and unfortunately current treatments only extend overall survival by a few months. It is therefore critical to identify and target additional biological processes in this disease. Here, we reveal that targeting a specific transcriptional addiction for glioma cells by inhibition of CDK12/CDK13 disrupts glioma-specific transcription and cell cycle progression and has potential to provide a new therapeutic strategy for glioblastoma.

Abstract We report a loss-of-function mutation in the TLDc domain of human Oxidation Resistance 1 ( OXR1 ) gene, resulting in early-onset epilepsy, developmental delay, cognitive disabilities, and cerebellar atrophy. Patient lymphoblasts show impaired cell survival, proliferation, and hypersensitivity to oxidative stress. These phenotypes are rescued by TLDc domain replacement. We generated patient derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) revealing impaired neural differentiation along with dysregulation of genes essential for neurodevelopment. We identified that OXR1 influences histone arginine methylation by activating protein arginine methyltransferases (PRMTs), suggesting OXR1 dependent mechanisms regulating gene expression during neurodevelopment. We modeled the function of OXR1 in early human brain development using patient derived brain organoids revealing that OXR1 contributes to the spatial-temporal regulation of histone arginine methylation in specific brain regions. Our work provides new insights into pathological features and molecular underpinnings associated with OXR1 deficiency, highlighting the therapeutic potential of OXR1 in numerous neurodegenerative and neurodevelopmental disorders.