Gene expression is dynamically regulated by chromatin modifications on histone tails, such as acetylation. In general, histone acetylation promotes transcription, whereas histone deacetylation negatively regulates transcription. The interplay between histone acetyltranserases and histone deacetylases (HDACs) is pivotal for the regulation of gene expression required for long-term memory processes. Currently, very little is known about the role of individual HDACs in learning and memory. We examined the role of HDAC3 in long-term memory using a combined genetic and pharmacologic approach. We used HDAC3–FLOX genetically modified mice in combination with adeno-associated virus-expressing Cre recombinase to generate focal homozygous deletions of Hdac3 in area CA1 of the dorsal hippocampus. To complement this approach, we also used a selective inhibitor of HDAC3, RGFP136 [ N -(6-(2-amino-4-fluorophenylamino)-6-oxohexyl)-4-methylbenzamide]. Immunohistochemistry showed that focal deletion or intrahippocampal delivery of RGFP136 resulted in increased histone acetylation. Both the focal deletion of HDAC3 as well as HDAC3 inhibition via RGFP136 significantly enhanced long-term memory in a persistent manner. Next we examined expression of genes implicated in long-term memory from dorsal hippocampal punches using quantitative reverse transcription-PCR. Expression of nuclear receptor subfamily 4 group A, member 2 ( Nr4a2 ) and c-fos was significantly increased in the hippocampus of HDAC3–FLOX mice compared with wild-type controls. Memory enhancements observed in HDAC3–FLOX mice were abolished by intrahippocampal delivery of Nr4a2 small interfering RNA, suggesting a mechanism by which HDAC3 negatively regulates memory formation. Together, these findings demonstrate a critical role for HDAC3 in the molecular mechanisms underlying long-term memory formation.

Abstract Mouse models of human diseases are invaluable tools for studying pathogenic mechanisms and testing interventions and therapeutics. For disorders such as Alzheimer’s disease in which numerous models are being generated, a challenging first step is to identify the most appropriate model and age to effectively evaluate new therapeutic approaches. Here we conducted a detailed phenotypic characterization of the 5xFAD model on a congenic C57BL/6J strain background, across its lifespan – including a seldomly analyzed 18-month old time point to provide temporally correlated phenotyping of this model and a template for characterization of new models of LOAD as they are generated. This comprehensive analysis included quantification of plaque burden, Aβ biochemical levels, and neuropathology, neurophysiological measurements and behavioral and cognitive assessments, and evaluation of microglia, astrocytes, and neurons. Analysis of transcriptional changes was conducted using bulk-tissue generated RNA-seq data from microdissected cortices and hippocampi as a function of aging, which can be explored at the UCI Mouse Explorer and AD Knowledge Portal. This deep-phenotyping pipeline identified novel aspects of age-related pathology in the 5xFAD model.

ABSTRACT Multiple mouse models have been generated that strive to recapitulate human Alzheimer’s disease (AD) pathological features to investigate disease mechanisms and potential treatments. The 3xTg-AD mouse presents the two major hallmarks of AD, which are plaques and tangles that increase during aging. While behavioral changes and the accumulation of plaques and tangles have been well described in the 3xTg-AD mice, the subpopulations of neurons and glial cells present throughout disease progression have not been characterized. Here, we used single-cell RNA-seq to investigate changes in subpopulations of microglia, and single-nucleus RNA-seq to explore subpopulations of neurons, astrocytes, and oligodendrocytes in the hippocampus and cortex of aging 3xTg-AD as well as 5xFAD mice for comparison. We recovered a common path of age-associated astrocyte activation between the 3xTg-AD and the 5xFAD models and found that 3xTg-AD-derived astrocytes seem to be less activated. We identified multiple subtypes of microglia, including a subpopulation with a distinct transcription factor expression profile that showed an early increase in Csf1 expression before the switch to disease associated microglia (DAM). We used bulk RNA-seq in the hippocampus of 3xTg-AD mice across their lifespan to identify distinct modules of genes whose expression increases with aging and worsening pathology. Finally, scATAC-seq revealed multiple subpopulations of cells with accessible chromatin in regions around genes associated with glial activation. Overall, differences between the main glial groups point to a slower activation process in the 3xTg-AD model when compared to the 5xFAD. Our study contributes to the identification of progressive transcriptional changes of glial cells in a mouse model that has plaques and tangles, thus providing information to aid in targeted AD therapeutics that could translate into positive clinical outcomes.

Abstract Animal models of disease are valuable resources for investigating pathogenic mechanisms and potential therapeutic interventions. However, for complex disorders such as Alzheimer’s disease (AD), the generation and availability of innumerous distinct animal models present unique challenges to AD researchers and hinder the success of useful therapies. Here, we conducted an in-depth analysis of the 3xTg-AD mouse model of AD across its lifespan to better inform the field of the various pathologies that appear at specific ages, and comment on drift that has occurred in the development of pathology in this line since its development 20 years ago. This modern characterization of the 3xTg-AD model includes an assessment of impairments in behavior, cognition, and long-term potentiation followed by quantification of amyloid beta (Aβ) plaque burden and neurofibrillary tau tangles, biochemical levels of Aβ and tau protein, and neuropathological markers such as gliosis and accumulation of dystrophic neurites. We also present a novel comparison of the 3xTg-AD model with the 5xFAD model using the same deep-phenotyping characterization pipeline. The results from these analyses are freely available via the AD Knowledge Portal ( https://admodelexplorer.synapse.org ). Our work demonstrates the utility of a characterization pipeline that generates robust and standardized information relevant to investigating and comparing disease etiologies of current and future models of AD. Contribution to the Field Statement Alzheimer’s Disease (AD) is an age-related neurodegenerative disorder characterized by progressive memory impairments and affects more than 30 million individuals worldwide. Using animal models of AD, researchers have elucidated disease progression and hallmark pathologies that may underpin the memory impairments seen in patients. However, therapeutic targets have failed to translate successfully from animal studies to human clinical trials, prompting a reassessment of the development, use, and interpretation of data acquired using the innumerous AD animal models available to researchers. To address these shortcomings, we have developed a robust and reproducible modern characterization of pathologies within current and future animal models of AD to better assess distinct pathologies that arise at specific brain regions and ages of different models. Using the popular 3xTg-AD mouse, we demonstrate the utility of these deep-phenotyping analyses and highlight the drift that affected development of pathologies in this line over the past two decades. Utilizing this same systematic characterization, we also perform a direct comparison with 5xFAD mice, another popular animal model of AD. The robust and standardized data generated from these systematic deep-phenotyping analyses are available for broad use by the AD research community to assess, compare, and determine appropriate animal models of AD.

SUMMARY Optimal behavior results from a balance of control between two strategies, one cognitive/goal-directed and one habitual, which rely on the anatomically distinct dorsomedial (DMS) and dorsolateral (DLS) striatum, respectively. The transcriptional regulatory mechanisms required to learn and transition between these strategies are unknown. Here we identified a critical negative regulator of habit learning. Histone deacetylase (HDAC) inhibition following instrumental conditioning accelerated habitual control of behavior. HDAC3, a transcriptional repressor, was removed from the promoters of learning-related genes in the dorsal striatum as habits formed with overtraining and with post-training HDAC inhibition. Decreasing HDAC3 function in the DLS accelerated habit formation, while DLS HDAC3 overexpression prevented habit. HDAC3 activity in the DMS was also found to constrain habit formation. These results challenge the strict dissociation between DMS and DLS function in goal-directed v. habitual behavioral control and identify dorsal striatal HDAC3 as a critical molecular substrate of the transition to habit.

Alternative splicing is widely acknowledged to be a crucial regulator of gene expression and is a key contributor to both normal developmental processes and disease states. While cost-effective and accurate for quantification, short-read RNA-seq lacks the ability to resolve full-length transcript isoforms despite increasingly sophisticated computational methods. Long-read sequencing platforms such as Pacific Biosciences (PacBio) and Oxford Nanopore (ONT) bypass the transcript reconstruction challenges of short reads. Here we introduce TALON, the ENCODE4 pipeline for platform-independent analysis of long-read transcriptomes. We apply TALON to the GM12878 cell line and show that while both PacBio and ONT technologies perform well at full-transcript discovery and quantification, each displayed distinct technical artifacts. We further apply TALON to mouse hippocampus and cortex transcriptomes and find that 422 genes found in these regions have more reads associated with novel isoforms than with annotated ones. We demonstrate that TALON is a capable of tracking both known and novel transcript models as well as their expression levels across datasets for both simple studies and in larger projects. These properties will enable TALON users to move beyond the limitations of short-read data to perform isoform discovery and quantification in a uniform manner on existing and future long-read platforms.

The molecular mechanisms discriminating between regenerative failure and success remain elusive. While a regeneration-competent peripheral nerve injury mounts a regenerative gene expression response in bipolar dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons, a regeneration-incompetent central spinal cord injury does not. This dichotomic response offers a unique opportunity to investigate the fundamental biological mechanisms underpinning regenerative ability. Following a pharmacological screen with small molecule inhibitors targeting key epigenetic enzymes in DRG neurons we identified HDAC3 signalling as a novel candidate brake to axonal regenerative growth. In vivo, we determined that only a regenerative peripheral but not a central spinal injury induces an increase in calcium, which activates protein phosphatase 4 that in turn dephosphorylates HDAC3 thus impairing its activity and enhancing histone acetylation. Bioinformatics analysis of ex vivo H3K9ac ChIPseq and RNAseq from DRG followed by promoter acetylation and protein expression studies implicated HDAC3 in the regulation of multiple regenerative pathways. Finally, genetic or pharmacological HDAC3 inhibition overcame regenerative failure of sensory axons following spinal cord injury. Together, these data indicate that PP4-dependent HDAC3 dephosphorylation discriminates between axonal regeneration and regenerative failure.