The generation of cortical projection neurons relies on the coordination of radial migration with branching. Here, we report that the multisubunit histone acetyltransferase Elongator complex, which contributes to transcript elongation, also regulates the maturation of projection neurons. Indeed, silencing of its scaffold (Elp1) or catalytic subunit (Elp3) cell-autonomously delays the migration and impairs the branching of projection neurons. Strikingly, neurons defective in Elongator show reduced levels of acetylated alpha-tubulin. Reduction of alpha-tubulin acetylation via expression of a nonacetylatable alpha-tubulin mutant leads to comparable defects in cortical neurons and suggests that alpha-tubulin is a target of Elp3. This is further supported by the demonstration that Elp3 promotes acetylation and counteracts HDAC6-mediated deacetylation of this substrate in vitro. Our results uncover alpha-tubulin as a target of the Elongator complex and suggest that a tight regulation of its acetylation underlies the maturation of cortical projection neurons.

SUMMARY mTORC1 promotes protein translation, learning and memory, and neuroadaptations that underlie alcohol use and abuse. We report that activation of mTORC1 in the nucleus accumbens (NAc) of mice consuming alcohol promotes the translation of microRNA (miR) machinery components and the upregulation of microRNAs (miRs) expression including miR34a-5p. In parallel, we detected a paradoxical mTORC1-dependent repression of translation of transcripts including Aldolase A, an essential glycolytic enzyme. We found that miR34a-5p in the NAc targets Aldolase A for translation repression and promotes alcohol intake. Our data further suggest that glycolysis is inhibited in the NAc manifesting in an mTORC1-dependent attenuation of L-lactate, the end product of glycolysis. Finally, we show that systemic administration of L-lactate attenuates mouse excessive alcohol intake. Our data suggest that alcohol promotes paradoxical actions of mTORC1 on translation and glycolysis which in turn drive excessive alcohol use. Abstract Figure Graphical abstract (A) Alcohol activates mTORC1 signaling in D1+ NAc neurons which in turn increases the translation of GW182, Trax and CNOT4 and represses the translation of Aldolase A, Rbfox2 and PPM1E. In parallel, alcohol increases the levels of miR15b-5p, miR25-3p, miR92-3p and miR34a-5p which are predicted to target Aldolase A, Rbfox2 and PPM1E. (B) Alcohol activates mTORC1 signaling in the NAc which increases the level of miR34a-5p repressing the translation of Aldolase A and decreasing the level of L-lactate, promoting further drinking.

The small G-protein Ras–related C3 botulinum toxin substrate 1 (Rac1) promotes the formation of filamentous actin (F-actin). Actin is a major component of dendritic spines, and we previously found that alcohol alters actin composition and dendritic spine structure in the nucleus accumbens (NAc) and the dorsomedial striatum (DMS). To examine if Rac1 contributes to these alcohol-mediated adaptations, we measured the level of GTP-bound active Rac1 in the striatum of mice following 7 weeks of intermittent access to 20% alcohol. We found that chronic alcohol intake activates Rac1 in the DMS of male mice. In contrast, Rac1 is not activated by alcohol in the NAc and DLS of male mice or in the DMS of female mice. Similarly, closely related small G-proteins are not activated by alcohol in the DMS, and Rac1 activity is not increased in the DMS by moderate alcohol or natural reward. To determine the consequences of alcohol-dependent Rac1 activation in the DMS of male mice, we inhibited endogenous Rac1 by infecting the DMS of mice with an adeno-associated virus (AAV) expressing a dominant negative form of the small G-protein (Rac1-DN). We found that overexpression of AAV-Rac1-DN in the DMS inhibits alcohol-mediated Rac1 signaling and attenuates alcohol-mediated F-actin polymerization, which corresponded with a decrease in dendritic arborization and spine maturation. Finally, we provide evidence to suggest that Rac1 in the DMS plays a role in alcohol-associated goal–directed learning. Together, our data suggest that Rac1 in the DMS plays an important role in alcohol-dependent structural plasticity and aberrant learning.

The mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) plays an important role in dendritic translation and in learning and memory. We previously showed that heavy alcohol use activates mTORC1 in the orbitofrontal cortex (OFC) of rodents ([1][1]). Here, we set out to determine the consequences of alcohol-dependent mTORC1 activation in the OFC. We found that inhibition of mTORC1 activity attenuates alcohol seeking and restores sensitivity to outcome devaluation in rats that habitually seek alcohol. In contrast, habitual responding for sucrose was unaltered by mTORC1 inhibition, suggesting that mTORC1’s role in habitual behavior is specific to alcohol. We further show that inhibition of GluN2B in the OFC attenuates alcohol-dependent mTORC1 activation, alcohol seeking and habitual responding for alcohol. Together, these data suggest that the GluN2B/mTORC1 axis in the OFC drives alcohol seeking and habit. [1]: #ref-1

Heavy alcohol use reduces the levels of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in the prefrontal cortex of rodents through the upregulation of microRNAs targeting BDNF mRNA. In humans, an inverse correlation exists between circulating blood levels of BDNF and the severity of psychiatric disorders including alcohol abuse. Here, we set out to determine whether a history of heavy alcohol use produces comparable alterations in the blood of rats. We used an intermittent access to 20% alcohol using the 2-bottle choice paradigm (IA20%2BC), and measured circulating levels of BDNF protein and microRNAs in the serum of Long-Evans rats before and after 8-weeks of excessive alcohol intake. We observed that the drinking profile of heavy alcohol users is not unified; Whereas 70% of the rats gradually escalate their alcohol intake (Late Onset), 30% of alcohol users exhibit a very Rapid Onset of drinking (Rapid Onset). We found that serum BDNF levels are negatively correlated with alcohol intake in both Rapid Onset and Late Onset rats. In contrast, increased expression of the microRNAs (miRs) targeting BDNF, miR30a-5p, miR-195-5p, miR191-5p and miR206-3p, was detected only in the Rapid Onset rats. Finally, we report that the alcohol-dependent molecular changes are not due to alterations in platelet number. Our data suggest that rats exhibit both Late and Rapid Onset of alcohol intake. We further show that heavy alcohol use produces comparable changes in BDNF protein levels in both groups. However, circulating microRNAs are responsive to alcohol only in the Rapid Onset rats.

SUMMARY The Leigh syndrome is a severe inborn neurodegenerative encephalopathy commonly associated with pyruvate metabolism defects. The transcription factor E4F1, a key regulator of the pyruvate dehydrogenase (PDH) complex (PDC), was previously found to be mutated in Leigh syndrome patients, but the molecular mechanisms leading to cell death in E4F1-deficient neurons remain unknown. Here, we show that E4F1 directly regulates Dlat and Elp3 , two genes encoding key subunits of the PDC and of the Elongator complex, to coordinate AcetylCoenzyme A production and its utilization to acetylate tRNAs. Genetic inactivation of E4f1 in neurons during mouse embryonic development impaired tRNAs editing and induced an ATF4-mediated integrated stress response (ISR), leading to neuronal cell death and microcephaly. Furthermore, our analysis of PDH-deficient cells unraveled a crosstalk linking the PDC to ELP3 expression that is perturbed in Leigh syndrome patients. Altogether, our data support a model where pyruvate metabolism regulates the epitranscriptome to ensure protein translation fidelity.

Abstract Adolescence is a developmental period characterized by significant changes in brain architecture and behavior. The immaturity of the adolescent brain is associated with heightened vulnerability to exogenous agents, including alcohol. Alcohol is the most consumed drug among teenagers, and binge-drinking during adolescence is a major public health concern. Studies have suggested that adolescent alcohol exposure (AAE) may interfere with the maturation of frontal brain regions and lead to long-lasting behavioral consequences. In this study, we used a mouse model of AAE in which adolescent mice reach high blood alcohol concentration after voluntary binge-drinking. In order to assess short- and long-term consequences of AAE, a battery of behavioral tests was performed during late adolescence and during adulthood. We showed that AAE had no short-term effect on young mice behavior but rather increased anxiety- and depressive-like behaviors, as well as alcohol consumption during adulthood. Moreover, alcohol binge-drinking during adolescence dramatically decreased recognition memory performances and behavioral flexibility in both adult males and females. Furthermore, we showed that voluntary consumption of alcohol during adolescence did not trigger any major activation of the innate immune system in the prefrontal cortex (PFC). Together, our data suggest that voluntary alcohol binge-drinking in adolescent mice induces a delayed appearance of behavioral impairments in adulthood.

The small G-protein Rac1 promotes the formation of filamentous actin (F-Actin). Actin is a major component of dendritic spines, and we previously found that alcohol alters actin composition and dendritic spine structure in the nucleus accumbens (NAc) and the dorsomedial striatum (DMS). To examine if Rac1 contributes to these alcohol-mediated adaptations, we measured the level of GTP-bound active Rac1 in the striatum of mice following 7 weeks of intermittent access to 20% alcohol. We found that chronic alcohol intake activates Rac1 in the DMS of male mice. In contrast, Rac1 is not activated by alcohol in the NAc and DLS of male mice, or in the DMS of female mice. Similarly, closely related small G-proteins are not activated by alcohol in the DMS, and Rac1 activity is not increased in the DMS by moderate alcohol or natural reward. To determine the consequences of alcohol-dependent Rac1 activation in the DMS of male mice, we inhibited endogenous Rac1 by infecting the DMS of mice with an AAV expressing a dominant negative form of the small G-protein (Rac1-DN). We found that overexpression of AAV-Rac1-DN in the DMS inhibits alcohol-mediated Rac1 signaling and attenuates alcohol-mediated F-actin polymerization, which corresponded with a decrease in dendritic arborization and spine maturation. Finally, we provide evidence to suggest that Rac1 in the DMS plays a role in alcohol-associated goal-directed learning. Together, our data suggest that Rac1 in the DMS plays an important role in alcohol-dependent structural plasticity and aberrant learning.

Adolescence is a developmental period characterized by significant changes in brain architecture and behavior. The immaturity of the adolescent brain is associated with heightened vulnerability to exogenous agents, including alcohol. Alcohol is the most consumed drug among teenagers, and binge-drinking during adolescence is a major public health concern. Studies have suggested that adolescent alcohol exposure (AAE) may interfere with the maturation of frontal brain regions and lead to long-lasting behavioral consequences. In this study, we used a mouse model of AAE in which adolescent mice reach high blood alcohol concentration after voluntary binge-drinking. In order to assess short- and long-term consequences of AAE, a battery of behavioral tests was performed during late adolescence and during adulthood. We showed that AAE had no short-term effect on young mice behavior but rather increased anxiety- and depressive-like behaviors, as well as alcohol consumption during adulthood. Moreover, alcohol binge-drinking during adolescence dramatically decreased recognition memory performances and behavioral flexibility in both adult males and females. Furthermore, we showed that voluntary consumption of alcohol during adolescence did not trigger any major activation of the innate immune system in the prefrontal cortex (PFC). Together, our data suggest that voluntary alcohol binge-drinking in adolescent mice induces a delayed appearance of behavioral impairments in adulthood.