Analyses of the autism-associated neuroligin-3 R451C mutation in human neurons reveal a gain-of-function synaptic mechanism

神经肽 兴奋性突触后电位 神经传递 生物 突变 抑制性突触后电位 前脑 神经科学 兴奋性突触 突触后电位 突触 细胞生物学 基因 遗传学 中枢神经系统 受体
作者
Le Wang,Vincent R. Mirabella,Rujia Dai,Xiao Su,Ranjie Xu,Azadeh Jadali,Matteo Bernabucci,Ishnoor Singh,Yu Chen,Jianghua Tian,Peng Jiang,Kelvin Y. Kwan,ChangHui Pak,Chunyu Liu,Davide Comoletti,Ronald P. Hart,Chao Chen,Thomas C. Südhof,Zhiping P. Pang
出处
期刊:Molecular Psychiatry [Springer Nature]
被引量:16
标识
DOI:10.1038/s41380-022-01834-x
摘要

Mutations in many synaptic genes are associated with autism spectrum disorders (ASD), suggesting that synaptic dysfunction is a key driver of ASD pathogenesis. Among these mutations, the R451C substitution in the NLGN3 gene that encodes the postsynaptic adhesion molecule Neuroligin-3 is noteworthy because it was the first specific mutation linked to ASDs. In mice, the corresponding Nlgn3 R451C-knockin mutation recapitulates social interaction deficits of ASD patients and produces synaptic abnormalities, but the impact of the NLGN3 R451C mutation on human neurons has not been investigated. Here, we generated human knockin neurons with the NLGN3 R451C and NLGN3 null mutations. Strikingly, analyses of NLGN3 R451C-mutant neurons revealed that the R451C mutation decreased NLGN3 protein levels but enhanced the strength of excitatory synapses without affecting inhibitory synapses; meanwhile NLGN3 knockout neurons showed reduction in excitatory synaptic strengths. Moreover, overexpression of NLGN3 R451C recapitulated the synaptic enhancement in human neurons. Notably, the augmentation of excitatory transmission was confirmed in vivo with human neurons transplanted into mouse forebrain. Using single-cell RNA-seq experiments with co-cultured excitatory and inhibitory NLGN3 R451C-mutant neurons, we identified differentially expressed genes in relatively mature human neurons corresponding to synaptic gene expression networks. Moreover, gene ontology and enrichment analyses revealed convergent gene networks associated with ASDs and other mental disorders. Our findings suggest that the NLGN3 R451C mutation induces a gain-of-function enhancement in excitatory synaptic transmission that may contribute to the pathophysiology of ASD.
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