To investigate the role of astrocytes in regulating synaptic transmission, we generated inducible transgenic mice that express a dominant-negative SNARE domain selectively in astrocytes to block the release of transmitters from these glial cells. By releasing adenosine triphosphate, which accumulates as adenosine, astrocytes tonically suppressed synaptic transmission, thereby enhancing the dynamic range for long-term potentiation and mediated activity-dependent, heterosynaptic depression. These results indicate that astrocytes are intricately linked in the regulation of synaptic strength and plasticity and provide a pathway for synaptic cross-talk.

Fast excitatory neurotransmission is mediated by activation of synaptic ionotropic glutamate receptors. In hippocampal slices, we report that stimulation of Schaffer collaterals evokes in CA1 neurons delayed inward currents with slow kinetics, in addition to fast excitatory postsynaptic currents. Similar slow events also occur spontaneously, can still be observed when neuronal activity and synaptic glutamate release are blocked, and are found to be mediated by glutamate released from astrocytes acting preferentially on extrasynaptic NMDA receptors. The slow currents can be triggered by stimuli that evoke Ca2+ oscillations in astrocytes, including photolysis of caged Ca2+ in single astrocytes. As revealed by paired recording and Ca2+ imaging, a striking feature of this NMDA receptor response is that it occurs synchronously in multiple CA1 neurons. Our results reveal a distinct mechanism for neuronal excitation and synchrony and highlight a functional link between astrocytic glutamate and extrasynaptic NMDA receptors.

Fine control of neuronal activity is crucial to rapidly adjust to subtle changes of the environment. This fine tuning was thought to be purely neuronal until the discovery that astrocytes are active players of synaptic transmission. In the adult hippocampus, microglia are the other major glial cell type. Microglia are highly dynamic and closely associated with neurons and astrocytes. They react rapidly to modifications of their environment and are able to release molecules known to control neuronal function and synaptic transmission. Therefore, microglia display functional features of synaptic partners, but their involvement in the regulation of synaptic transmission has not yet been addressed. We have used a combination of pharmacological approaches with electrophysiological analysis on acute hippocampal slices and ATP assays in purified cell cultures to show that activation of microglia induces a rapid increase of spontaneous excitatory postsynaptic currents. We found that this modulation is mediated by binding of ATP to P2Y1R located on astrocytes and is independent of TNFα or NOS2. Our data indicate that, on activation, microglia cells rapidly release small amounts of ATP, and astrocytes, in turn, amplified this release. Finally, P2Y1 stimulation of astrocytes increased excitatory postsynaptic current frequency through a metabotropic glutamate receptor 5-dependent mechanism. These results indicate that microglia are genuine regulators of neurotransmission and place microglia as upstream partners of astrocytes. Because pathological activation of microglia and alteration of neurotransmission are two early symptoms of most brain diseases, our work also provides a basis for understanding synaptic dysfunction in neuronal diseases.

Abstract Herpes simplex virus 1 (HSV-1) latently infected neurons show multiple patterns in the distribution of the viral genomes within the nucleus, at least in mouse models. One of the major patterns is characterized by the presence of quiescent HSV-1 genomes trapped in promyelocytic leukemia nuclear bodies (PML NBs) to form viral DNA-containing PML-NBs (vDCP NBs). Using a cellular model reproducing the formation of vDCP NBs we previously showed that viral genomes are chromatinized with the H3.3 histone variant modified on its lysine 9 by tri-methylation (H3.3K9me3) a chromatin mark associated with transcriptional repression. Here we identify an essential role for the HUSH complex and its SETDB1 and MORC2 effectors in the acquisition of the H3K9me3 mark on the PML NBs-associated HSV-1 and in the maintenance of HSV-1 transcriptional repression. ChiP-seq analyses highlight the association of the H3K9me3 mark with the entire viral genome. Inactivating the HUSH-SETDB1-MORC2 repressor complex prior to viral infection results in a significant reduction of H3K9me3 on the viral genome, while the overall impact on the cellular genome is minimal, except for expected changes in families of LINE1 retroelements. Depletion of HUSH, SETDB1, or MORC2, relieves the repressive state of HSV-1 in infected primary human fibroblasts as well as human induced pluripotent stem cell-derived sensory neurons (hiPSDN). We discovered that the viral protein ICP0 induces MORC2 degradation via the proteasome machinery. This process is concurrent with ICP0 and MORC2 depletion capability to reactivate silenced HSV-1 in hiPSDN. Overall, our findings underscore the robust antiviral function of the HUSH-SETDB1-MORC2 repressor complex against a herpesvirus by modulating chromatin marks linked to repression, thus presenting promising avenues for novel anti-herpesvirus therapeutic strategies. Significance statement Herpes simplex virus 1 (HSV-1) is a major human pathogen, which remains latent in the trigeminal ganglia (TG) neurons of the infected individuals. Its reactivation is characterized by a variety of clinical symptoms the most severe ones being keratitis and herpesvirus encephalitis. The colonization of the CNS by the virus during the individual life is a well-known fact but the pathophysiological effects on neurons homeostasis are still underestimated. It is thus paramount to understand the molecular mechanisms that control HSV-1 latency and maintain the virus in a pseudo silent state.

Abstract Microglia, brain-resident macrophages, play key roles during prenatal development in defining neural circuitry function, including ensuring proper synaptic wiring and maintaining homeostasis. Mammalian breathing rhythmogenesis arises from interacting brainstem neural networks that are assembled during embryonic development, but the specific role of microglia in this process remains unknown. Here, we investigated the anatomical and functional consequences of respiratory circuit formation in the absence of microglia. We first established the normal distribution of microglia within the wild-type (WT, Pu.1 +/+ ) mouse brainstem at embryonic ages when the respiratory networks are known to emerge (embryonic day (E) 14.5 for the parafacial respiratory group (epF) and E16.5 for the preBötzinger complex (preBötC)). In transgenic mice depleted of microglia (Pu.1 -/- mutant), we performed anatomical staining, calcium imaging and electrophysiological recordings of neuronal activities in vitro to assess the status of these circuits at their respective times of functional emergence. Spontaneous respiratory-related activity recorded from reduced in vitro preparations showed an abnormally slow rhythm frequency expressed by the epF at E14.5, the preBötC at E16.5 and in the phrenic motor nerves from E16.5 onwards. These deficits were associated with a reduced number of active epF neurons, defects in commissural projections that couple the bilateral preBötC half-centers, and an accompanying decrease in their functional coordination. These abnormalities probably contribute to eventual neonatal death, since plethysmography revealed that E18.5 Pu.1 -/- embryos are unable to sustain breathing activity ex utero . Our results thus point to a crucial contribution of microglia in the proper establishment of the central respiratory command during embryonic development.

Herpes simplex virus 1 (HSV-1) latently infected neurons display diverse patterns in the distribution of the viral genomes within the nucleus. A key pattern involves quiescent HSV-1 genomes sequestered in promyelocytic leukemia nuclear bodies (PML NBs) forming viral DNA-containing PML-NBs (vDCP NBs). Using a cellular model that replicates vDCP NB formation, we previously demonstrated that these viral genomes are chromatinized with the H3.3 histone variant modified on its lysine 9 by trimethylation (H3.3K9me3), a mark associated with transcriptional repression. Here, we identify the HUSH complex and its effectors, SETDB1 and MORC2, as crucial for the acquisition of H3K9me3 on PML NB-associated HSV-1 and the maintenance of HSV-1 transcriptional repression. ChIP-seq analyses show H3K9me3 association with the entire viral genome. Inactivating the HUSH–SETDB1–MORC2 complex before infection significantly reduces H3K9me3 on the viral genome, with minimal impact on the cellular genome, aside from expected changes in LINE-1 retroelements. Depletion of HUSH, SETDB1, or MORC2 alleviates HSV-1 repression in infected primary human fibroblasts and human induced pluripotent stem cell–derived sensory neurons (hiPSDN). We found that the viral protein ICP0 induces MORC2 degradation via the proteasome machinery. This process is concurrent with ICP0 and MORC2 depletion capability to reactivate silenced HSV-1 in hiPSDN. Overall, our findings underscore the robust antiviral function of the HUSH–SETDB1–MORC2 repressor complex against a herpesvirus by modulating chromatin marks linked to repression, thus presenting promising avenues for anti-herpesvirus therapeutic strategies.

Abstract The early neurodevelopmental contributions of ion pumps remain poorly characterized. Combining analysis of public human embryo single-cell transcriptomic datasets and an embryonic chicken model, we found a conserved differentiation sequence whereby spinal cord neurons switch on neuron-specific alpha3 subunit (ATP1A3) of Na + /K + ATPases. In the chicken model, ATP1A3 is distributed along axons and growth cones. Its knockdown alters axon pathfinding of dorsal interneurons (DIN) that wire spinocerebellar circuits. In mirror of reported electric field (EF)-driven cell migration, we found that DIN axons align in EFs, which was abolished by Na + /K + ATPase inhibitor Ouabain and ATP1A3 knockdown. We recorded an embryonic trans-neural-epithelial potential generating EF whose pharmacological and surgical manipulation mimicked ATP1A3 knock-down-induced altered DIN axon pathfinding. Using DINs transplantation paradigm, we found that ATP1A3 is required cell-autonomously for EF-mediated long-range guidance. Finally, dominant-negative ATP1A3 mutation causing an early ATP1A3 childhood disease disrupts this fundamental developmental process, revealing unexpected pathogenic mechanisms.

Microglia exhibit diverse morphologies reflecting environmental conditions, maturity or functional states. Thus, morphological characterization provides important information to understand microglial roles and functions. Most recent morphological analysis relies on classifying cells based on morphological parameters. However, this classification is not always biologically relevant, as microglial morphologies constitute a continuum rather than segregated groups. Instead, we propose a new open-source tool, MorphoCellSorter, which assesses microglial morphology by automatically computing morphological criteria, using principal component analysis and Andrews plots to rank cells. MorphoCellSorter accurately ranked cells from various microglia datasets in mice and rats of different age, from in vivo , in vitro and ex vivo models, that were acquired using diverse imaging techniques. This approach allowed for the discrimination of cell populations in various pathophysiological conditions. Finally, MorphoCellSorter offers a versatile, easy and ready-to-use method to evaluate microglial morphological diversity that could easily be generalized to standardize practices across laboratories.