ABSTRACT In the aging brain, many of the alterations underlying cognitive and behavioral decline remain opaque. C. elegans offers a powerful model for aging research, with a simple, well-studied nervous system to further our understanding of the cellular modifications and functional alterations accompanying senescence. We perform multi-neuronal functional imaging across the aged C. elegans nervous system, measuring an age-associated breakdown in system-wide functional organization. At single-cell resolution, we detect shifts in activity dynamics toward higher frequencies. In addition, we measure a specific loss of inhibitory signaling that occurs early in the aging process and alters the systems critical excitatory/inhibitory balance. These effects are recapitulated with mutation of the calcium channel subunit UNC-2/CaV2α,. We find that manipulation of inhibitory GABA signaling can partially ameliorate or accelerate the effects of aging. The effects of aging are also partially mitigated by disruption of the insulin signaling pathway, known to increase longevity, or by a reduction of caspase activation. Data from mammals are consistent with our findings, suggesting a conserved shift in the balance of excitatory/inhibitory signaling with age that leads to breakdown in global neuronal dynamics and functional decline.

SUMMARY Loss-of-function mutations in the depalmitoylating enzyme palmitoyl protein thioesterase 1 (PPT1) cause Neuronal Ceroid Lipofuscinosis type 1 ( CLN1 ), a devastating neurodegenerative disease. Here, we provide a resource identifying PPT1 substrates. We utilized Acyl Resin-Assisted Capture and mass spectrometry to identify proteins with increased in vivo palmitoylation in PPT1 knockout mouse brains. We then validated putative substrates through direct depalmitoylation with recombinant PPT1. This stringent screen elucidated >100 novel PPT1 substrates at the synapse, including channels and transporters, G-protein-associated molecules, endo/exocytic components, synaptic adhesion molecules, and mitochondrial proteins. Cysteine depalmitoylation sites in transmembrane PPT1 substrates frequently participate in disulfide bonds in the mature protein. We confirmed that depalmitoylation regulates disulfide bond formation in a tertiary screen analyzing post-translational modifications. Collectively, the diverse PPT1 substrates highlight the role of PPT1 in mediating synapse functions, implicate molecular pathways in the etiology of CLN1 , and advance our basic understanding of the purpose of depalmitoylation. Highlights ∼10% of palmitoylated proteins are palmitoyl protein thioesterase 1 (PPT1) substrates Unbiased proteomic approaches identify 9 distinct classes of PPT1 substrates, including synaptic adhesion molecules and endocytic proteins Protein degradation does not require depalmitoylation by PPT1 Depalmitoylation mediates disulfide bond formation in transmembrane PPT1 substrates

Abstract Conventional light sheet fluorescence microscopy (LSFM), or selective plane illumination microscopy (SPIM), enables high resolution 3D imaging over a large volume by using two orthogonally aligned objective lenses to decouple excitation and emission. The recent development of oblique plane microscopy (OPM) simplifies LSFM design with only one single objective lens, by using off-axis excitation and remote focusing. However, most reports on OPM has a limited microscopic field of view (FOV), typically within 1×1 mm 2 . Our goal is to overcome the limitation with a new variant of OPM to achieve mesoscopic FOV. We implemented an optical design of mesoscopic scanning OPM to allow using low numerical aperture (NA) objective lens. The angle of the intermediate image before the remote focusing system was increased by a demagnification under Scheimpflug condition such that the light collecting efficiency in the remote focusing system was significantly improved. We characterized the 3D resolutions and FOV by imaging fluorescence microspheres, and demonstrated the volumetric imaging on intact whole zebrafish larvae, mouse cortex, and multiple Caenorhabditis elegans (C . elegans ). We demonstrate a mesoscopic FOV up to ~6× 5×0.6 mm 3 volumetric imaging, the largest reported FOV by OPM so far. The angle of the intermediate image plane is independent of the magnification. As a result, the system is highly versatile, allowing simple switching between different objective lenses with low (10x, NA 0.3) and median NA (20x, NA 0.5). Detailed microvasculature in zebrafish larvae, mouse cortex, and neurons in C. elegans are clearly visualized in 3D. The proposed mesoscopic scanning OPM allows using low NA objective such that centimeter-level FOV volumetric imaging can be achieved. With the extended FOV, simple sample mounting protocol, and the versatility of changeable FOVs/resolutions, our system will be ready for the varieties of applications requiring in vivo volumetric imaging over large length scales.