Enhancement of Learning and Memory by Elevating Brain Magnesium

Learning and memory are fundamental brain functions affected by dietary and environmental factors. Here, we show that increasing brain magnesium using a newly developed magnesium compound (magnesium-L-threonate, MgT) leads to the enhancement of learning abilities, working memory, and short- and long-term memory in rats. The pattern completion ability was also improved in aged rats. MgT-treated rats had higher density of synaptophysin-/synaptobrevin-positive puncta in DG and CA1 subregions of hippocampus that were correlated with memory improvement. Functionally, magnesium increased the number of functional presynaptic release sites, while it reduced their release probability. The resultant synaptic reconfiguration enabled selective enhancement of synaptic transmission for burst inputs. Coupled with concurrent upregulation of NR2B-containing NMDA receptors and its downstream signaling, synaptic plasticity induced by correlated inputs was enhanced. Our findings suggest that an increase in brain magnesium enhances both short-term synaptic facilitation and long-term potentiation and improves learning and memory functions.National Institutes of Health (U.S.) (NS37342)National Basic Research Program of China (2006CB3031)National Basic Research Program of China (2009CB941303)National Natural Science Foundation (China) (30630026)National High Technology Research and Development Program of China (2007AA02Z443)Tsinghua-Yue-Yuen Medical Sciences Fun

Optimizing Nervous System-Specific Gene Targeting with Cre Driver Lines: Prevalence of Germline Recombination and Influencing Factors.

The Cre-loxP system is invaluable for spatial and temporal control of gene knockout, knockin, and reporter expression in the mouse nervous system. However, we report varying probabilities of unexpected germline recombination in distinct Cre driver lines designed for nervous system-specific recombination. Selective maternal or paternal germline recombination is showcased with sample Cre lines. Collated data reveal germline recombination in over half of 64 commonly used Cre driver lines, in most cases with a parental sex bias related to Cre expression in sperm or oocytes. Slight differences among Cre driver lines utilizing common transcriptional control elements affect germline recombination rates. Specific target loci demonstrated differential recombination; thus, reporters are not reliable proxies for another locus of interest. Similar principles apply to other recombinase systems and other genetically targeted organisms. We hereby draw attention to the prevalence of germline recombination and provide guidelines to inform future research for the neuroscience and broader molecular genetics communities

Identifizierung von Genen im Nucleus Raphe Dorsalis: Regulation durch Chronischen Stress und Citalopram

Es ist bekannt, dass Stress, insbesondere in chronischer Form, zu psychischen Störungen führen kann. Dabei spielt das serotonerge System vermutlich eine entscheidende Rolle, und man nimmt an, dass stressbedingte Störungen in diesem System psychopathologische Entwicklungen begünstigen. Frühere Experimente hatten gezeigt, dass serotonerge Neurone durch Stress aktiviert werden.Aus klinischen Studien ist bekannt, dass die therapeutische Wirkung der heute am häufigsten verschriebenen Antidepressiva, der spezifischen Serotonin-Wiederaufnahme-Inhibitoren (SSRIs), erst nach 2-3 Wochen eintritt. Vermutlich muss sich das Zentralnervensystem erst an die durch die Medikamente veränderten neurochemischen Bedingungen anpassen, bevor die antidepressive Wirkung eintreten kann. Es ist anzunehmen, dass bei diesen allmählichen Anpassungsprozessen Änderungen in der Genexpression stattfinden, über die aber bisher noch wenig bekannt ist. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit die Genexpression im dorsalen Raphekern untersucht, dem Hirngebiet, in dem sich die serotonergen Neurone befinden, welche das Vorderhirn innervieren. Es wird angenommen, dass die Wirkung von SSRIs vor allem auf der Blockade des Serotonin (5-HT)-Transporters im dorsalen Raphekern beruht.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Gene identifiziert, deren Expression durch Stress reguliert wird. Dazu wurden männliche Ratten über 5 Wochen unter Verwendung eines Resident-Intruder-Paradigm sozialem Stress ausgesetzt. Aus den dorsalen Raphekernen der Tiere wurde RNA isoliert und dazu die komplementäre DNA (cDNA) generiert. Aus der cDNA der chronisch gestressten Ratten und der Kontrolltiere wurden dann durch Subtraktionshybridisierung diejenigen DNA-Sequenzen isoliert, die unter Stress differentiell exprimiert sind; diese Sequenzen wurden kloniert. Aus der gewonnenen cDNA-Bank wurden folgende Gene für die Quantifizierung der Expression durch Real-time PCR ausgewählt: Zwei Gene, die an Prozessen der Neurotransmission beteiligt sind, das synaptosomal associated protein 25 (SNAP-25) und das synaptic vesicle glycoprotein 2b (SV2b); ein gliales Gen, von dem man annimmt, dass es an neuroplastischen Prozessen beteiligt ist, das N-myc downstream-regulated gene 2 ( NDRG2); die Neuron-spezifische Enolase (NSE), die das Wachstum und das Überleben von Neuronen begünstigt; sowie ein Gen, das vermutlich an der Regulation der Transkription durch Stress beteiligt ist, das CREB-Bindungsprotein (CBP). Die Menge der mRNA für jedes dieser Gene war nach dem chronischen Stress erhöht.Gene, von denen bekannt ist, dass sie die Synthese und die Freisetzung des Neurotransmitters 5-HT direkt regulieren, konnten durch die cDNA-Subtraktionshybridisierung zwar nicht isoliert werden, aber die Expression der mRNA für den 5-HT-Transporter (SERT), den 5-HT1A-Autorezeptor und für Tryptophanhydroxylase (TPH) wurde dennoch durch quantitative Real-time PCR bestimmt. Es zeigte sich, dass nach dem chronischen Stress die Menge der mRNA für SERT und für den 5-HT1A-Autorezeptor gleich groß war wie in der Kontrollsituation, nur die Menge der mRNA für das TPH1-Gen war nach dem chronischen Stress erhöht. Diese Ergebnisse zeigen, das 5-wöchiger sozialer Stress bei männlichen Ratten im dorsalen Raphekern zu signifikanten Änderungen in der Expression von Genen führt, die an Prozessen der Neurotransmission, der Neuroplastizität und der 5-HT-Biosynthese beteiligt sind, wohingegen die Expression von Genen, welche die Menge des extrazellulären 5-HT direkt regulieren, nach dieser Stressdauer unverändert ist.Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde dann der Einfluss einer chronischen Behandlung mit dem Antidepressivum Citalopram, einem SSRI, auf die Expression der genannten Gene untersucht. Das Medikament wurde den sozial belasteten Ratten für 4 Wochen täglich über das Trinkwasser verabreicht (30 mg/kg/Tag; diese Dosis war vorab in einer Pilotstudie ermittelt worden). Durch quantitative Real-time PCR wurde festgestellt, dass Citalopram in den chronisch gestressten Tieren die Expression der mRNA für SV2b, CBP und NDRG2 wieder normalisiert. Der Effekt von Citalopram auf die mRNA für SNAP-25 war nicht signifikant, und die Menge der NSE-mRNA war nach der Behandlung mit Citalopram sowohl in den nicht gestressten als auch in den gestressten Ratten erhöht.Citalopram hatte differentielle Effekte auf die mRNA für die beiden bekannten TPH-Gene, 1 und 2: TPH1-mRNA wurde durch Citalopram nur im dorsalen Raphekern der gestressten Ratten reduziert, während TPH2-mRNA sowohl in den gestressten als auch in den nicht gestressten Ratten durch das SSRI abnahm. Die mRNA für den 5-HT1A-Autorezeptor jedoch war nur in den gestressten Ratten reduziert, während die Expression von SERT-mRNA durch Citalopram in allen Tieren unverändert blieb. Diese Befunde zeigen, dass Citalopram im dorsalen Raphekern von chronisch gestressten Ratten die Expression von Genen normalisiert, die an der Freisetzung von Neurotransmittern, an neuroplastischen Vorgängen sowie an der Serotoninsynthese beteiligt sind.Der Einfluss von chronischem Stress bzw. der chronischen Behandlung mit Citalopram auf die Proteinexpression wurde durch quantitatives Western-blotting ermittelt. Es zeigte sich, das 5-wöchiger chronischer Stress zu einer signifikanten Zunahme der Expression der SV2b-, des SNAP-25-, des NSE- und des TPH-Proteins führte. Die Expression der Proteine Syntaxin1A und Synaptophysin wurde weder durch den chronischen Stress noch durch das SSRI verändert. Citalopram verhinderte die stressinduzierte Zunahme des SV2b- und des TPH-Proteins, konnte aber der stressbedingten Zunahme des NSE-Proteins nicht entgegenwirken. Aus diesen Ergebnissen kann man schließen, dass die stressinduzierte Zunahme des TPH-Proteins mit der Zunahme des mRNA für das TPH1-Gen korreliert, während die Citalopram-induzierte Normalisierung der Expression des TPH-Proteins mit reduzierter Expression von TPH1- als auch TPH2-mRNA zusammenhängt. Des Weiteren wurde untersucht, ob die beobachteten Änderungen in der Expression von mRNA und Protein auch in der Hippocampus-Formation zu beobachten sind, einem Hirngebiet, das von den serotonergen Neuronen im dorsalen Raphekern innerviert wird. Es zeigte sich, dass die Expression von NSE durch Stress im Hippocampus verstärkt wurde, dass aber Citalopram darauf keinen Einfluss hatte. Im Unterschied zu dorsalen Raphekern, wo Stress/Citalopram die Expression von Syntaxin 1A nicht modulierte, wurde die Expression dieses Proteins im Hippocampus durch den chronischen Stress verstärkt und durch Citalopram wieder normalisiert.Aus diesen Ergebnissen ist zu schließen, dass chronischer Stress die Expression von Genen reguliert, die an Prozessen der Ausschüttung von Neurotransmittern und an neuroplastischen Vorgängen beteiligt sind. Es ist anzunehmen, dass die vorliegenden Daten eine stressinduzierte Verstärkung neuronaler Aktivität im dorsalen Raphekern reflektieren, und dass die Wirkung von Stress bzw. Citalopram spezifisch für diese Hirnregion ist. Die stressbedingte Zunahme des TPH-Proteins spiegelt möglicherweise die verstärkte Aktivität der serotonergen Neurone im dorsalen Raphekern wider. Die durch Citalopram hervorgerufene Normalisierung der TPH-Expression, vermutlich eine wichtige Vorraussetzung für normale Serotoninspiegel im Gehirn, könnte zu der therapeutischen Wirkung des SSRI beitragen

Profiling and Co-expression Network Analysis of Learned Helplessness Regulated mRNAs and lncRNAs in the Mouse Hippocampus

Although studies provide insights into the neurobiology of stress and depression, the exact molecular mechanisms underlying their pathologies remain largely unknown. Long non-coding RNA (lncRNA) has been implicated in brain functions and behavior. A potential link between lncRNA and psychiatric disorders has been proposed. However, it remains undetermined whether IncRNA regulation, in the brain, contributes to stress or depression pathologies. In this study, we used a valid animal model of depression-like symptoms; namely learned helplessness, RNA-seq, Gene Ontology and co-expression network analyses to profile the expression pattern of lncRNA and mRNA in the hippocampus of mice. We identified 6346 differentially expressed transcripts. Among them, 340 lncRNAs and 3559 protein coding mRNAs were differentially expressed in helpless mice in comparison with control and/or non-helpless mice (inescapable stress resilient mice). Gene Ontology and pathway enrichment analyses indicated that induction of helplessness altered expression of mRNAs enriched in fundamental biological functions implicated in stress/depression neurobiology such as synaptic, metabolic, cell survival and proliferation, developmental and chromatin modification functions. To explore the possible regulatory roles of the altered lncRNAs, we constructed co-expression networks composed of the lncRNAs and mRNAs. Among our differentially expressed lncRNAs, 17% showed significant correlation with genes. Functional co-expression analysis linked the identified lncRNAs to several cellular mechanisms implicated in stress/depression neurobiology. Importantly, 57% of the identified regulatory lncRNAs significantly correlated with 18 different synapse-related functions. Thus, the current study identifies for the first time distinct groups of lncRNAs regulated by induction of learned helplessness in the mouse brain. Our results suggest that lncRNA-directed regulatory mechanisms might contribute to stress-induced pathologies; in particular, to inescapable stress-induced synaptic modifications

Neuroprotective Effects of TRPM7 Deletion in Parvalbumin GABAergic vs. Glutamatergic Neurons following Ischemia

Oxidative stress induced by brain ischemia upregulates transient receptor potential melastatin-like-7 (TRPM7) expression and currents, which could contribute to neurotoxicity and cell death. Accordingly, suppression of TRPM7 reduces neuronal death, tissue damage and motor deficits. However, the neuroprotective effects of TRPM7 suppression in different cell types have not been investigated. Here, we found that induction of ischemia resulted in loss of parvalbumin (PV) gamma-aminobutyric acid (GABAergic) neurons more than Ca2+/calmodulin-kinase II (CaMKII) glutamatergic neurons in the mouse cortex. Furthermore, brain ischemia increased TRPM7 expression in PV neurons more than that in CaMKII neurons. We generated two lines of conditional knockout mice of TRPM7 in GABAergic PV neurons (PV-TRPM7−/−) and in glutamatergic neurons (CaMKII-TRPM7−/−). Following exposure to brain ischemia, we found that deleting TRPM7 reduced the infarct volume in both lines of transgenic mice. However, the volume in PV-TRPM7−/− mice was more significantly lower than that in the control group. Neuronal survival of both GABAergic and glutamatergic neurons was increased in PV-TRPM7−/− mice; meanwhile, only glutamatergic neurons were protected in CaMKII-TRPM7−/−. At the behavioral level, only PV-TRPM7−/− mice exhibited significant reductions in neurological and motor deficits. Inflammatory mediators such as GFAP, Iba1 and TNF-α were suppressed in PV-TRPM7−/− more than in CaMKII-TRPM7−/−. Mechanistically, p53 and cleaved caspase-3 were reduced in both groups, but the reduction in PV-TRPM7−/− mice was more than that in CaMKII-TRPM7−/− following ischemia. Upstream from these signaling molecules, the Akt anti-oxidative stress signaling was activated only in PV-TRPM7−/− mice. Therefore, deleting TRPM7 in GABAergic PV neurons might have stronger neuroprotective effects against ischemia pathologies than doing so in glutamatergic neurons

Characteristic Features of Deep Brain Lymphatic Vessels and Their Regulation by Chronic Stress

Studies have demonstrated that a functional network of meningeal lymphatic vessels exists in the brain. However, it is unknown whether lymphatic vessels could also extend deep into the brain parenchyma and whether the vessels could be regulated by stressful life events. We used tissue clearing techniques, immunostaining, light-sheet whole-brain imaging, confocal imaging in thick brain sections and flow cytometry to demonstrate the existence of lymphatic vessels deep in the brain parenchyma. Chronic unpredictable mild stress or chronic corticosterone treatment was used to examine the regulation of brain lymphatic vessels by stressful events. Western blotting and coimmunoprecipitation were used to provide mechanistic insights. We demonstrated the existence of lymphatic vessels deep in the brain parenchyma and characterized their features in the cortex, cerebellum, hippocampus, midbrain, and brainstem. Furthermore, we showed that deep brain lymphatic vessels can be regulated by stressful life events. Chronic stress reduced the length and areas of lymphatic vessels in the hippocampus and thalamus but increased the diameter of lymphatic vessels in the amygdala. No changes were observed in prefrontal cortex, lateral habenula, or dorsal raphe nucleus. Chronic corticosterone treatment reduced lymphatic endothelial cell markers in the hippocampus. Mechanistically, chronic stress might reduce hippocampal lymphatic vessels by down-regulating vascular endothelial growth factor C receptors and up-regulating vascular endothelial growth factor C neutralization mechanisms. Our results provide new insights into the characteristic features of deep brain lymphatic vessels, as well as their regulation by stressful life events

Supplementary File 1 Li et al

RNA-seq comparisons of all data sets<br

Optimizing Nervous System-Specific Gene Targeting with Cre Driver Lines:Prevalence of Germline Recombination and Influencing Factors

Luo et al. report variable rates of germline recombination in commonly used mouse Cre driver lines, influenced by sex of Cre-carrying parents and target loci. Guidelines are provided to optimize cell-type-specific recombination in genetically targeted organisms expressing site-specific recombinases