background image

Journal Pre-proof

Optimization of AAV vectors for transactivator-regulated enhanced gene expression

within targeted neuronal populations.

Leo Kojima, Kaoru Seiriki, Hiroki Rokujo, Takanobu Nakazawa, Atsushi Kasai, Hitoshi

Hashimoto

PII:

S2589-0042(24)01100-3

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109878

Reference:

ISCI 109878

To appear in:

ISCIENCE

Received Date: 13 September 2023
Revised Date: 3 March 2024
Accepted Date: 29 April 2024

Please cite this article as: Kojima, L., Seiriki, K., Rokujo, H., Nakazawa, T., Kasai, A., Hashimoto, H.,

Optimization of AAV vectors for transactivator-regulated enhanced gene expression within targeted

neuronal populations., 

ISCIENCE

 (2024), doi: 

https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109878

.

This is a PDF file of an article that has undergone enhancements after acceptance, such as the addition

of a cover page and metadata, and formatting for readability, but it is not yet the definitive version of

record. This version will undergo additional copyediting, typesetting and review before it is published

in its final form, but we are providing this version to give early visibility of the article. Please note that,

during the production process, errors may be discovered which could affect the content, and all legal

disclaimers that apply to the journal pertain.

© 2024 The Author(s). Published by Elsevier Inc.

PIIS2589004224011003-html.html
background image

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

Optimization of AAV vectors for transactivator-regulated enhanced gene expression 

within targeted neuronal populations. 

 

Leo Kojima

1,8

, Kaoru Seiriki

1,8,9*

, Hiroki Rokujo

1

, Takanobu Nakazawa

2

, Atsushi Kasai

3

Hitoshi Hashimoto

1,4,5,6,7* 

 

1

Laboratory  of  Molecular  Neuropharmacology,  Graduate  School  of  Pharmaceutical 

Sciences, Osaka University, Suita, Osaka, 565-0871, Japan 

2

Department of Bioscience, Tokyo University of Agriculture, Setagaya-ku, Tokyo 156-

8502, Japan 

10 

3

Systems Neuropharmacology, Research Institute  of Environmental  Medicine, Nagoya 

11 

University, Nagoya 464-8601, Japan 

12 

4

Institute for Open and Transdisciplinary Research Initiatives, Osaka University, Suita, 

13 

Osaka, 565-0871, Japan 

14 

5

Molecular  Research  Center  for  Children’s  Mental  Development,  United  Graduate 

15 

School  of  Child  Development,  Osaka  University,  Kanazawa  University,  Hamamatsu 

16 

University School of Medicine, Chiba University and University of Fukui, Suita, Osaka, 

17 

565-0871, Japan 

18 

6

Institute for Datability Science, Osaka University, Suita, Osaka, 565-0871, Japan 

19 

7

Department of Molecular Pharmaceutical Sciences, Graduate School of Medicine, Osaka 

20 

University, Suita, Osaka, 565-0871, Japan 

21 

8

These authors contributed equally. 

22 

9

Lead Contact 

23 

*Correspondence: seiriki@phs.osaka-u.ac.jp (K.S.), hasimoto@phs.osaka-u.ac.jp (H.H.) 

24 

 

 

25 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

Summary 

Adeno-associated  virus  (AAV)  vectors  are  potential  tools  for  cell-type-selective  gene 

delivery  to  the  central  nervous  system.  Although  cell-type-specific  enhancers  and 

promoters have been identified for AAV systems, there is limited information regarding 

the  effects  of  AAV  genomic  components  on  the  selectivity  and  efficiency  of  gene 

expression. Here, we offer an alternative strategy to provide specific and efficient gene 

delivery  to  a  targeted  neuronal  population  by  optimizing  recombinant AAV  genomic 

components, named TAREGET (TransActivator-Regulated Enhanced Gene Expression 

within  Targeted  neuronal  populations).  We  established  this  strategy  in  oxytocinergic 

neurons and showed that the TAREGET enabled sufficient gene expression to label long-

10 

projecting  axons  in  wild-type  mice.  Its  application  to  other  cell  types,  including 

11 

serotonergic  and  dopaminergic  neurons,  was  also  demonstrated.  These  results 

12 

demonstrate that optimization of AAV expression cassettes can improve the specificity 

13 

and  efficiency  of  cell-type-specific  gene  expression  and  that  TAREGET  can  renew 

14 

previously established cell-type-specific promoters with improved performance. 

15 

 

16 

Keywords 

17 

AAV, cell types, oxytocin, serotonin, dopamine, whole-brain imaging 

18 

 

19 

Motivation 

20 

Adeno-associated  viral  vectors  are  promising  tools  for 

in  vivo

  gene  delivery.  Several 

21 

studies  have  identified  promoters  and  enhancers  that  enable  cell-type-specific  gene 

22 

expression in the brain. However, it is not well understood whether and to what extent 

23 

selectivity  and  efficiency  are  reduced,  maintained,  or  improved  by  the  use  of  gene 

24 

expression control systems, such as the Tet-Off and Cre-loxP systems, which enable the 

25 

stable and sufficient expression of transgenes. This study reports the basic information 

26 

required to construct an AAV vector carrying a cell-type-specific promoter and provides 

27 

an AAV system for oxytocin neuron-selective expression of various transgenes.   

 

 

28 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

Introduction 

The  brain  is  composed  of  heterogeneous  neuronal  populations,  including 

glutamatergic,  GABAergic,  monoaminergic,  and  neuropeptidergic  neurons. 

Classification  and  functional  analysis  of  each  cell  type  are  prerequisites  for  a  precise 

understanding  of  brain  function  and  pathologies  in  brain  diseases

1,2

.  To  achieve  this, 

transgenic or knock-in animals have been engineered to express exogenous genes such as 

fluorescent  proteins  and  Cre  recombinase  in  specific  neuronal  populations  to  label  or 

manipulate the target cell type

3,4

. Despite the high utility of cell-type-selective transgenic 

animals, several limitations of these tools have been reported, including the huge effort 

required to breed transgenic animals, unintentional off-target and insertional effects

5–10

10 

and insufficient efficiency for labeling

11

. Backcrossing to the desired genetic background 

11 

is also a time-consuming task when the target animal strains differ from  the available 

12 

genetic backgrounds.   

13 

Recently, various adeno-associated virus (AAV) vectors that utilize cell-type-specific 

14 

promoters

12–16

 or enhancer

17–20

 have been developed in order to deliver genes into the 

15 

targeted  cell  types  and  investigate  their  anatomical  and  functional  characteristics  as 

16 

alternative strategies for transgenic animals. However, in some cases, the selectivity and 

17 

efficiency of targeted gene expression in the AAV-based approach have been reported to 

18 

be  relatively  lower  than  those  in  Cre  lines

10,19,21

.  Moreover,  although  some  cell-type-

19 

specific  promoters  for  neuromodulator-expressing  neurons  have  been  identified,  most 

20 

have a gene length of 2–3 kilobases (kb)

14,16,21,22

 , which occupies approximately half of 

21 

the assumed capable genome length of AAV (4.7 kb)

23,24

. These limitations may prevent 

22 

the application of the AAV-based cell-type-specific approaches to broader experimental 

23 

designs.   

24 

Oxytocin (OXT) neurons are involved in a wide range of physiological phenomena 

25 

including social and nurturing behaviors

25–28

. Reduced sociability can be associated with 

26 

impaired  OXT  systems  in  some  animal  models,  as  we  and  others  have  previously 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

identified reduced OXT or its receptor in mouse models of neurodevelopmental disorders 

that  harbor  genetic  mutations  or  deletions  of  genes  associated  with  human  autism 

spectrum disorder

29–31

. Thus, viral-genetic targeting of OXT neurons in genetic mouse 

models  or  inbred  mouse  strains  for  diseases  may  help  understand  the  anatomical  and 

functional  properties  of  OXT  neurons  in  healthy  and  diseased  states. AAV-based  cell-

type-specific approaches for oxytocin (OXT) neurons have been well established

32–34

 and 

reproduced  in  multiple  independent  studies

28,35

.  These  applications  mainly  employ  a 

single AAV vector system in which the OXT promoter directly drives the expression of 

transgenes. Although  dual AAV  vector  systems  carrying  Cre/loxP  or  Tet-Off  systems 

allow us to use a larger gene size, the selectivity for OXT neurons is reduced compared 

10 

to the single AAV vector system

36

. Alternative AAV strategies with improved versatility 

11 

may shed light on the neuronal mechanisms underlying social behavior and impairment 

12 

in animal models. 

13 

Here,  we  propose  the TransActivator-Regulated  enhanced  Gene  Expression  within 

14 

Targeted neuronal populations (TAREGET) strategy for AAV-mediated cell-type-specific 

15 

gene  expression  in  wild-type  mice.  Using  previously  reported  OXT  promoters

29

,  we 

16 

optimized  the  regulatory  components  of  gene  expression,  thereby  improving  both  the 

17 

specificity and efficiency of gene expression via the Tet-Off system in OXT neurons. AAV 

18 

TAREGET-OXT (TAREGET  for OXT neurons) restricts the  high  expression  levels of 

19 

reporter  fluorescent  proteins  within  OXT  neurons,  and  that  allows  whole-brain 

20 

visualization  of  long-projecting  OXT  neuronal  axons  across  multiple  brain  regions  in 

21 

wild-type mice. Furthermore, the TAREGET strategy is applicable to other cell types, 

22 

such as serotonergic and dopaminergic neurons, by using their specific promoters. These 

23 

results provide important insights into viral vector strategies targeting specific neuronal 

24 

populations. 

25 

 

26 

 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

Results 

Optimization  of  regulatory  components  in  the AAV  vector  enables  selective  and 

robust gene expression in OXT neurons 

Previous studies suggest that inverted terminal repeat (ITR) sequences in  the AAV 

genome can act as a promoter

37

, and its undesired action may be attenuated by insertion 

of the woodchuck hepatitis virus post-transcriptional regulatory element (WPRE) with 

inverted orientation into the 5’ upstream of cell-type-selective promoter

38

. Although the 

insertion of inverted WPRE is known to decrease gene expression at the mRNA level

39

these  effects  in  AAV  vectors  have  been  less  investigated  quantitatively.  To  examine 

whether  the  position  of  regulatory  components  affects  cell-type  selectivity  and 

10 

compatibility  to  Tet-Off-mediated  enhanced  gene  expression  in  OXT  neurons,  we 

11 

compared seven patterns of AAV vector sets, all of which have a 1.0 kb fragment of the 

12 

mouse OXT (mOXT) promoter

29

 and reporter fluorescent protein, mNeonGreen (mNG)

40

13 

which  is  one  of  the  brightest  monomeric  green  fluorescent  proteins  in  neuronal 

14 

experiments.  All  AAV  vectors  were  packaged  into  the  AAV  serotype  9  capsid  and 

15 

administered to the paraventricular nucleus of the hypothalamus (PVH) at a dose of 1 × 

16 

10

9

 vg via bilateral stereotaxic injection (

Figure 1A

). In the single AAV vector system 

17 

(

Figure 1B

, AAV #1–3), insertion of WPRE into 3’ untranslated region (UTR) increased 

18 

the  number  of  mNG-positive  cells  in  OXT  neurons  immunolabeled  with  antibody  for 

19 

Neurophysin 1 (NP1), which is a cleavage product from an OXT-precursor protein and a 

20 

reliable marker for OXT neurons

41,42

. AAV #2 carrying the 3’ WPRE achieved over 90% 

21 

specificity of mNG expression in the OXT neurons (

Figure 1C

); however, only 59.1% of 

22 

the NP1-positive cells were labeled with mNG (

Figure 1D

). These results suggest that in 

23 

the  single AAV  system,  the  transcriptional  activity  of  the  1.0  kb  mOXT  promoter  is 

24 

insufficient for labeling a large population of OXT neurons.   

25 

The  low  labeling  efficiency  can  be  attributed  to  the  undetectable  levels  of  mNG 

26 

expression in the targeted neuronal populations. Given that the Tet system can be used 

27 

not  only  for  inducible  expression  of  the  target  gene  but  also  for  the  transcriptional 

28 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

amplification  of  cell-type-specific  promoters

43,44

,  we  examined  whether  using  a  Tet 

system would improve the expression levels of mNG controlled by the 1.0 kb mOXT 

promoter. For this purpose, we designed dual AAV vectors, which comprised a pair of 

AAVs carrying the tetracycline transactivator (tTA) under the mOXT promoter and mNG 

under the tetracycline response element (TRE) promoter, respectively (

Figure 1B

, AAV 

sets  #4–8).  The  effects  of  WPRE  in  3’  UTR  with  forward  orientation  and  that  in  5’ 

upstream of the promoter with inverted orientation were also evaluated in AAV sets #5–

8. The combination of inverted WPRE at 5’ upstream of mOXT promoter and tTA (AAV 

set #8) showed the comparable selectivity for OXT neurons with the single AAV system 

#2 (93.1% vs. 93.8%; 

Figure 1C

). Furthermore, the selectivity and labeling efficiency of 

10 

AAV set #8 were higher than those of AAV set #5, which lacks the inverted WPRE at 5’ 

11 

upstream of the promoter (

Figure 1D

), suggesting that the inverted WPRE can improve 

12 

both cell-type specificity and efficiency of gene expression. Insertion of forward WPRE 

13 

into  the  3’  UTR  of AAV  sets  #6  and  7,  which  enhances  tTA  expression,  resulted  in  a 

14 

greater overall number of mNG-expressing cells including non-OXT neurons (

Figures 

15 

S1A  and  S1B

).  Consequently,  the  specificity  of mNG  induction  in  OXT  neurons  was 

16 

reduced in the AAV sets #6 and 7 compared to the AAV set #8 (

Figure 1C

). Despite the 

17 

broader mNG expression, labeling efficiency in OXT neurons also decreased (

Figure 1D

). 

18 

Given  that  extremely  high-level  expression  of  fluorescent  proteins  can  be  toxic

45

,  we 

19 

evaluated the number of NP1-positive cells and cell death induction for AAV sets #6 and 

20 

7. These groups exhibited a reduction in the number of NP1-positive cells (

Figures S1A–

21 

C

) and an increase in the number of active caspase-3-positive cells (

Figures S2A–C

), 

22 

suggesting that the reduction of mNG- and NP1-double-positive cells for AAV sets #6 

23 

and 7 was due to cytotoxicity. These results indicate that the dual AAV system, in which 

24 

a tTA driver AAV carrying 5’ inverted WPRE and a TRE reporter AAV carrying gene of 

25 

interests with WPRE in the 3’ UTR, can improve the selectivity and labeling efficiency 

26 

of weak promoters for cell-type-specific gene expression. Therefore, we named this dual 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

AAV system AAV TransActivator-Regulated Gene Expression within Targeted neuronal 

Populations (TAREGET)-OXT. 

 

AAV  TAREGET  yields  cell-type-selective  gene  expression  but  requires  optimal 

promoter activity for cell-type selectivity 

To evaluate the robustness and scalability of the TAREGET strategy, we examined 

whether a different type of mOXT promoter in the AAV TAREGET system retains cell-

type  selectivity.  Recent  studies  have  shown  that  AAV  carrying  the  2–2.6  kb  mOXT 

promoter drives selective gene expression in OXT neurons

28,32,34

, and a variety of genes 

have  been  successfully  transduced  to  OXT  neurons  selectively,  including  not  only 

10 

fluorescent proteins but also designer receptors exclusively activated by designer drugs 

11 

(DREADD),  hM3Dq

28

,  and  a  genetically  encoded  calcium  indicator,  GCaMP

36,46

12 

Therefore,  the  longer  mOXT  promoter  was  considered  to  have  more  effective 

13 

transcriptional  activity  than  the  1.0  kb  mOXT  promoter.  However,  the  use  of  strong 

14 

promoters carries the risk of increased background expression when combined with the 

15 

Tet-Off  amplification  system.  We  thus  compared  the  previously  used  1.0  kb  OXT 

16 

promoter with the stronger 2.6 kb promoter to determine whether the TAREGET strategy 

17 

was  applicable  to  stronger  promoters  for  cell-type-specific  labeling  (

Figure  2A

). 

18 

Although  the  dual AAV  system  carrying  the  2.6  kb  mOXT  promoter  yielded  brighter 

19 

fluorescent signals and labeled the majority of NP1-positive neurons in the PVH (

Figures 

20 

2B and S3A

), cell-type selectivity was decreased to approximately 30% (

Figure 2C

). 

21 

Non-selective mNG expression in arginine vasopressin (AVP)-expressing neurons was 

22 

also  observed  in  19.0%  of  mNG-positive  neurons  using  the  2.6  kb  mOXT  promoter 

23 

system, whereas less than 1.0% of mNG-positive neurons were AVP-positive in the 1.0 

24 

kb mOXT promoter system (

Figures 2D, 2E, and S3B

). The selectivity of the 1.0 kb 

25 

mOXT promoter-based TAREGET was maintained throughout the anteroposterior axis 

26 

(

Figures S4A–C

). These results suggest that the TAREGET strategy requires a promoter 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

with optimal transcriptional activity for cell-type specificity. 

 

The principle of AAV-TAREGET for cell-type-selective experiments is applicable to 

Cre-lox system under the sparser labeling condition 

Since the Cre-lox recombination system is well established in neuronal experiments, 

most  of  the  current AAVs  are  designed  to  use  FLEX  (FLip-EXcision)  switches  also 

referred to as Double-floxed Inverted Open reading frame (DIO) systems

47

. To assess the 

potential  applicability of already  available AAVs carrying DIO systems, we tested  the 

compatibility of Cre-lox recombination with the principle of restricted gene expression 

using  the  TAREGET  strategy  instead  of  the  Tet-Off  system.  We  then  replaced  the 

10 

transactivator tTA with Cre recombinase and the tTA-dependent reporter AAV with Cre-

11 

dependent  reporter  AAV  (

Figure  3A

).  To  minimize  the  leaky  expression  of  Cre 

12 

recombinase, we compared two types of Cre: codon-improved Cre recombinase (iCre)

48

 

13 

and destabilized iCre (diCre), the latter of which has a protein degradation signal

49

 at the 

14 

C-terminal  of  iCre. As  a  result  of  immunohistochemical  verification,  diCre-mediated 

15 

labeling showed  more  selective localization of fluorescent  signals in  the NP1-positive 

16 

area than iCre (

Figures 3B, 3C, and S5A

). However, only 32.1% of mNG-positive cells 

17 

expressed NP1, suggesting that leaky diCre expression in other cell types, although non-

18 

selective labeling of AVP-positive neurons was significantly suppressed by using diCre 

19 

compared  to  iCre  (

Figures  3D,  3E,  and  S5B

).  Optimization  of  the  viral  titer  (1:100 

20 

dilution  of  diCre-driver AAV)  improved  the  specificity  of  mNG  expression  in  OXT 

21 

neurons (83.1%; 

Figures S4C and S5D

); however, its labeling efficiency decreased to 

22 

51.0% (

Figure S5E

). Therefore, the application of the TAREGET strategy to the Cre-lox 

23 

system should be carefully considered, although cell-type selectivity and sparse labeling 

24 

can be achieved by viral titer optimization. We conclude that the Tet-Off system is more 

25 

suitable for selective and efficient gene expression in dual-AAV-based cell-type-selective 

26 

labeling.     

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

 

AAV TAREGET for OXT neurons enables efficient axonal labeling of OXT neurons 

throughout the whole brain in mice 

Next, we aimed to determine a fine circuit structure of PVH-OXT neurons in mice 

using AAV TAREGET-OXT. Although the wiring diagram of OXT neurons has recently 

been documented in detail using OXT-Cre mice

50,51

, a non-transgenic approach will help 

understand the extent to which OXT circuitry is conserved across species and altered in 

animal models of neuropsychiatric disorders.   

To visualize the axonal projections of OXT neurons, we used pal-mScarlet, a bright 

monomeric  red  fluorescent  protein  mScarlet

52

  fused  to  the  membrane-targeting 

10 

palmitoylation  domain  of  growth-associated  protein  43  (GAP43)

44,53,54

. A  cocktail  of 

11 

AAV-mOXT-tTA  and AAV-TRE-pal-mScarlet  was  injected  into  the  PVH  of  wild-type 

12 

mice  (

Figures  4A  and  4B

).  Mapping  of  axonal  projection  was  conducted  using  a 

13 

microscopic  whole-brain  imaging  system  FAST  (block-FAce  Serial  microscopy 

14 

Tomography), which we have previously developed for brain-wide structural analysis at 

15 

a subcellular resolution 

55,56

. Approximately 300 cells (302 

±

  49 cells) in the PVH were 

16 

labeled  with  pal-mScarlet  along  the  anteroposterior  axis  (

Figure  S6A

),  and  ectopic 

17 

expression  was  not  observed  throughout  the  brain.  Extensive  axonal  projections  were 

18 

observed in the subcortical area and brain stem, whereas fewer fibers were detected in the 

19 

cerebral cortex (

Figures 4C and 4D

), which is consistent with previous reports on OXT-

20 

Cre mice

50,51

. To verify the cell type of pal-mScarlet-expressing cells, we also performed 

21 

post-hoc  immunohistochemical  analysis  after  FAST  imaging  and  found  that  the 

22 

selectivity  for  OXT  neurons  was  maintained  at  over  90%  (

Figures  4E–G  and  S6B

). 

23 

These  results  suggest  that  the  TAREGET  strategy  allows  enhanced  gene  expression 

24 

sufficient for brain-wide axonal labeling with cell-type specificity and may be applicable 

25 

to a wide variety of cell-type-selective experiments in not only normal animals but animal 

26 

models of brain disorders.   

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

10 

 

Application of the TAREGET strategy in labeling dopaminergic and serotonergic 

neurons 

Next,  we  applied  the  TAREGET  strategy  to  genetic  labeling  of  other  cell  types, 

dopaminergic neurons in the ventral tegmental area (VTA) and serotonergic neurons in 

the dorsal raphe nucleus (DRN), using the previously reported 2.6 kb length of mouse 

tyrosine  hydroxylase  promoter  (mTHp)

57

  and  2.0  kb  length  of  mouse  tryptophan 

hydroxylase  2  promoter  (mTPH2p)

58,59

,  respectively.  Although  these  promoters  have 

already been established, we examined whether the combination of these promoters and 

the TAREGET strategy could maintain specificity and efficiency.   

10 

We  then  compared  the  mTHp-based  TAREGET  system  (TAREGET-TH)  and  two 

11 

single AAV systems carrying mTHp with 5’ inverted WPRE (IW) or 3’ WPRE (W) at two 

12 

viral doses (

Figure 5A

). Apparent leaky expression in TH-negative cells was observed in 

13 

all the viral constructs with higher viral doses (

Figures 5B and 5C

). The reduction in the 

14 

injected  viral  doses  dramatically  decreased  the  number  of  mNG-positive  cells  in  both 

15 

single AAV systems (

Figures 5D and S7

). However, the TAREGET-TH at 1 × 10

8

 vg of 

16 

each  AAV  maintained  labeling  efficiency  in  the  TH-positive  neurons  (89.2%)  and 

17 

exhibited 92.1% specificity to dopaminergic neurons (

Figure 5D

).   

18 

Next, we evaluated the specificity and efficiency of the mTPH2p-based TAREGET 

19 

system  (TAREGET-TPH2)  by  comparing  with  single AAV  systems  carrying  mTPH2p 

20 

(

Figure S8A

). In contrast to the findings in dopaminergic neurons, the mTPH2p exhibited 

21 

high  specificity  across  examined  AAV  constructs,  although  the  higher  viral  dose  of 

22 

TAREGET-TPH2 showed a slight reduction in specificity (76.1% specificity to TPH2-

23 

positive  neurons)  relative  to  other  conditions  (

Figures  S8B  and  S8C

).  However,  the 

24 

efficiency of labeling and the number of cells expressing mNG varied depending on the 

25 

viral  dose  and  the  expression  systems,  with  TAREGET-THP2  showing  a  significant 

26 

increase  in  efficiency  compared  to  the  single AAV  systems  (

Figures  S8D–F

).  Thus, 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

11 

TAREGET-TPH2  can  be  used  for  the  labeling  of  serotonergic  populations  with  wide 

coverage. 

These  results  suggest  that  the  TAREGET  strategy  is  compatible  with  mTHp  and 

mTPH2p  and  has  advantages  in  specificity  and  efficiency  compared  to  single  AAV 

systems, although the dose of the virus should be carefully considered depending on the 

type of experiment.   

 

Cell-type-specific CRISPR-mediated gene editing using the TAREGET system. 

The potential advantage of the TAREGET system is its applicability for the expression 

of larger genes within the limited AAV packaging capacity, owing to the compact size of 

10 

the TRE  promoter  (approximately  320  bp)  relative  to  other  promoters  (e.g.  2.6  kb  of 

11 

mTHp and 2.0 kb of mTPH2p). Therefore, we examined the cell-type-specific expression 

12 

of Staphylococcus aureus Cas9 (saCas9; 3.3 kb including nuclear localization signals and 

13 

HA  tags)

60

  in  wild-type  mice  and  conducted  gene  inactivation  via  CRISPR-mediated 

14 

mutagenesis

61

 using the TAREGET system. The expression of saCas9 was driven under 

15 

the  control  of  CMV  promoter  or  the  TAREGET-TH  system  and  compared  to  the 

16 

TAREGET-TH without a TRE-saCas9 vector (tTA only) (

Figure 6A

). To determine the 

17 

efficiency of CRISPR-mediated knockdown at protein levels in the targeted cell type, we 

18 

generated a single guide RNA (sgRNA) targeting the 

Rbfox3

 (NeuN) gene, which is a 

19 

neuron-specific protein localized in nuclei and perinuclear cytoplasm

62

 (

Figure 6A

).   

20 

Specific and efficient expression of HA-tagged saCas9 in the TH-positive population 

21 

was achieved using the TAREGET-TH system (

Figures 6B–D

). The CMV-saCas9 vector 

22 

resulted in a reduction of NeuN immunofluorescence in both the TH-positive and TH-

23 

negative area consistent with its non-specific expression of saCas9, whereas TAREGET-

24 

TH-mediated saCas9  expression attenuated  the  NeuN immunofluorescence  in  the TH-

25 

positive cells specifically (

Figure 6B

). The fluorescence intensity of NeuN in TH-positive 

26 

cells was significantly decreased by saCas9-expressing vectors compared to the tTA-only 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

12 

negative control (

Figure 6E

), suggesting the efficient knockdown of NeuN via CRISPR-

mediated  mutagenesis. These  results  indicate  that  cell-type-specific  genome  editing  in 

wild-type mice can be achieved using the TAREGET system.   

 

Discussion 

In the present study, we propose an AAV system for cell-type-selective gene delivery 

in wild-type animals, named TAREGET. The main principle of AAV TAREGET is tight 

but efficient control of gene expression in the targeted cell population using an inverted 

WPRE, a cell-type-selective promoter, and a Tet-Off system. The use of binary expression 

systems, such as the Cre-lox and Tet-Off systems, has become widespread and prevalent 

10 

in transgenic animals

63

, but these are less established in viral-genetic approaches carrying 

11 

tTA or Cre driver genes. The limited utility of AAV vectors is partially due to non-specific 

12 

labeling caused by leaky background expression of driver genes. In binary approaches, 

13 

reporter gene expression can be induced by the leaky and weak expression of driver genes, 

14 

which is attributed to the insufficient specificity of the cell-type-targeting promoter, non-

15 

specific  ITR  promoter  activity

37,38

,  or  a  high  copy  number  of  infected AAV  vectors

19

16 

Insufficient regulation of driver gene expression can also lead to toxic effects, as observed 

17 

with  extremely  high  levels  of  transgene  expression  induced  by  the  tTA-WPRE 

18 

combination (

Figure S1

). Overall, our results suggest that the TAREGET system can be 

19 

used for achieving appropriate levels of transgene expression with cell-type specificity, 

20 

labeling efficiency, and less cytotoxicity. Furthermore, the TAREGET strategy allowed 

21 

cell-type  specific  and  efficient  expression  in  multiple  cell  types:  oxytocinergic, 

22 

dopaminergic, and serotonergic neurons. These results suggest that the TAREGET system 

23 

has potential for broader application in other cell-type-selective promoters in AAV vectors.   

24 

An additional  advantage  of the  dual AAV system  is  its greater packaging capacity 

25 

compared to a single AAV system. The packaging capacity of AAV, typically 4.7 kb, limits 

26 

the inclusion of large cell-type-specific promoters along with large transgenes. In contrast, 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

13 

the compactness of the TRE promoter in the Tet-Off-based dual AAV system allows for 

the use of a large part of the limited packaging capacity for the transgene, as previously 

applied to express saCas9 depending on neuronal activation

64

. Although the advantage of 

increased transgene capacity is a common feature among AAVs equipped with the TRE 

promoter,  the  TAREGET  system  enhances  cell-type  specificity  and  ensures  extensive 

coverage within targeted cell types for long transgenes. Thus, the TEREGET system not 

only refines specificity for targeted cell types but also expands the variety of experiments 

for cell-type-selective manipulation in neuroscience, including gene editing. Furthermore, 

given that the TAREGET system is compatible with expression logics using Cre and Flp 

recombinases, it enables molecular and cellular interventions in complex cell subtypes, 

10 

including genetically and/or anatomically defined subpopulations.   

11 

Experimental conditions, such as AAV capsid serotypes and application to reporter 

12 

mouse lines should be carefully considered; different conditions may result in different 

13 

outcomes. Studies of high-quality single-cell ATAC sequencing have identified cell-type- 

14 

or subclass-specific enhancers

19,20

, and one of these studies showed that some cell-type-

15 

specific enhancer AAVs carrying tTA resulted in sparse labeling

19

. Although the target 

16 

cell  types  differed  across  studies,  the  labeling  efficiency  may  be  influenced  by 

17 

methodological  diversities  in  the AAV  capsid  serotypes  (e.g.,  serotype  9  vs.  PHP.eB), 

18 

routes of viral administration (e.g., stereotaxic injection vs. intravenous administration), 

19 

and reporter systems (e.g., reporter AAV vs. reporter mouse line). This concern is partially 

20 

supported  by  a  study  showing  that  the  use  of  different  serotypes  results  in  different 

21 

specificities  of  labeling  in  noradrenergic  neurons,  probably  due  to  differences  in 

22 

transduction efficiency

65

. Indeed, TAREGET AAVs for serotonergic and dopaminergic 

23 

neurons require optimization of transduction efficiency by adjusting viral doses. Thus, we 

24 

should note that the  selectivity and completeness of labeling  may depend  not  only on 

25 

promoter  and  regulatory  elements  of  the  recombinant AAV  genome,  but  also  on  the 

26 

infection efficiency and reporter systems employed. Conversely, the TAREGET strategy 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

14 

may  provide  different  results  with  improved  specificity  and  efficiency  and  has  the 

potential to renew the previously identified enhancers or promoters used in conventional 

AAV systems.   

The PVH and supraoptic nucleus (SON) are the major sources of OXT, not only for 

peripheral release but also for the central nervous system

66

. OXT is released from the 

axonal and somatodendritic processes

67

 and modulates neuronal activity in target brain 

regions via OXT receptor

68

. The distribution of OXT receptors and OXT-neuronal axons 

has  been  reported  to  have  discrepancies,  such  that  the  OXT  receptor  is  expressed  in 

neurons in a wide range of cortical regions, but few axons from OXT neurons in the PVT 

and  SON  are  detected  in  the  cortex

50

.  In  the  present  study,  we  applied  the  AAV 

10 

TAREGET-OXT  to  brain-wide  axonal  mapping  to  examine  whether  we  could  obtain 

11 

results similar to those of previous studies using OXT-Cre mice and whole-brain imaging. 

12 

Consistent with previous studies, dense axonal projections from the PVH were observed 

13 

mainly in the hypothalamus, midbrain, and hindbrain. The OXT projection to the cortical 

14 

area was quite sparse, although we employed a membrane-tagged fluorescent protein for 

15 

better axonal transports

44,54

 and higher-resolution imaging conditions (1 × 1 μm for lateral 

16 

resolution and 5 μm for axial resolution) for comprehensive mapping of axons throughout 

17 

the entire cortex. These results may support the idea from previous studies that OXT can 

18 

act  on  OXT  receptor-expressing  cortical  neurons  via  the  cerebrospinal  fluid

35

.  Dense 

19 

OXT projections adjacent to the ventricles (dorsal and ventral parts of the third ventricle, 

20 

fourth ventricle, and cerebral aqueduct; 

Figure 4D

) may support the release of OXT into 

21 

the cerebrospinal fluid, as suggested in a previous report

50

. These alternative tools for 

22 

cell-type-specific approaches allow the fine structural analysis of specific cell types in a 

23 

variety of mouse models without using Cre-driver mouse lines. 

24 

 

25 

Limitations of the study 

26 

In  the  present  study,  we  optimized  the  combination  of  regulatory  components  in 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

15 

recombinant AAV  vectors  to  establish  selective  and  efficient  transduction  in  targeted 

neuronal populations. The main limitations of the TAREGET system are (1) the necessity 

to use two distinct vectors in a precise ratio, and (2) the necessity of inherently cell-type-

specific  promoters.  Therefore,  pilot  experiments  are  required  to  achieve  specific  and 

efficient  expression,  and  those  can  limit  the  applicability  and  translatability  of  the 

TAREGET system to other species. Despite these limitations, our study empirically and 

quantitatively demonstrated that cell-type specificity and efficiency of gene expression 

can  be  enhanced  by  modifying  gene  regulatory  elements  other  than  promoters. These 

methodologies  and  the  potential  characteristics  of  AAV  vectors  can  be  essential 

information for guiding reproducible experiments and their translational applications. 

10 

For practical concerns for the use in basic animal research, we have not examined the 

11 

cell-type selectivity of TAREGET AAVs in unintended other brain regions, such as the 

12 

cortical or thalamic areas, where oxytocinergic, serotonergic, and dopaminergic neurons 

13 

are not located. Therefore, we could not exclude the potential ectopic expression when 

14 

TAREGET AAVs were applied to unintended brain regions by widespread transduction, 

15 

such  as  AAV2-retro-mediated  retrograde  transduction

69

  and  PHP.eB  capsid-mediated 

16 

brain-wide  transduction

57,70

.  Ectopic  expression  can  be  induced  by  the TRE  promoter 

17 

itself  in  a  doxycycline-independent manner

71

.  Some  genes  contain  transcription  factor 

18 

recognition  sequences  in  their  protein  coding  sequence  themselves

72

,  and  those  may 

19 

enhance  tTA-independent  expression.  These  factors  in  the  TRE  promoter  system  can 

20 

affect the functionality of AAV TAREGETs. Therefore, users must carefully examine cell-

21 

type specificity and efficiency when the TAREGET system is applied to expressing other 

22 

genes of interest that we have not examined.   

23 

 

24 

Supplemental information 

25 

Supplemental information can be found online.   

26 

 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

16 

Acknowledgements 

This  work  was  supported  in  part  by  JSPS  KAKENHI  Grant  Numbers,  JP23H00395 

(H.H.), JP20H00492(H.H.), JP20H03556 (K.S.), and JP22K19481 (K.S.); AMED Grant 

Numbers,  JP21dm0207117(H.H.),  JP23ama121052  (H.H.),  JP23ama121054  (H.H.), 

JP21wm0525005  (K.S.),  JP19gm1310003  (T.N.),  and  JP21wn0425012  (T.N.);  JST, 

PRESTO Grant Number JPMJPR23S7 (K.S.). 

 

Author contributions 

Conceptualization, K.S. and H.H.; Methodology, K.S.; Formal Analysis, L.K. and K.S.; 

Investigation, L.K., K.S., and H.R.; Resources, L.K., K.S., and H.R.; Writing

 

– Original 

10 

Draft,  L.K.  and  K.S.;  Writing  –  Review  &  Editing,  K.S.,  T.N.,  A.K.,  and  H.H.; 

11 

Supervision, K.S. and H.H.; Funding Acquisition, K.S., T.N., A.K., and H.H. 

12 

 

13 

Declaration of Interests 

14 

The authors declare no competing interests. 

15 

 

16 

Figure legends 

17 

Figure 1. Optimization of the expression control system and regulatory component 

18 

in recombinant AAV genomes using OXT promoter.   

19 

(A) Scheme of the experimental paradigm. C57BL/6N mice received stereotaxic injection 

20 

of AAVs into the bilateral PVH regions. (B) AAV vector constructs and representative 

21 

images of the PVH transduced by each AAV set. All images were obtained and presented 

22 

with the same imaging and contrast conditions except for the mNG-channel in AAV set 

23 

#7, because AAV set #7 induced high levels of mNG expression, and thereby single cells 

24 

could  not  be  identified  due  to  signal  saturation.  Scale  bar,  200  µm.  (C)  Quantitative 

25 

analysis of specificity to the OXT neurons. Percentage of the number of mNG and NP1 

26 

(OXT neuronal marker) double-positive cells to that of mNG-positive cells was quantified. 

27 

(D)  Quantitative  analysis  of  efficiency  of  gene  expression  in  the  OXT  neurons. 

28 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

17 

Percentage of the number of mNG and NP1 double-positive cells to that of NP1-positive 

cells was quantified. For C and D, the number on the vertical axis is corresponding to the 

number  of AAV  sets  shown  in  B.  PVH,  paraventricular  hypothalamic  nucleus;  IHC, 

immunohistochemistry; NP1, Neurophysin 1; AVP, arginine vasopressin; ITR, inverted 

terminal  repeat;  mOXTp  mouse  oxytocin  promoter;  mNG,  mNeonGreen;  WPRE, 

woodchuck  hepatitis  virus  post-transcriptional  regulatory  element;  polyA, 

polyadenylation  signal;  tTA,  tetracycline  transactivator;  TRE,  tetracycline  response 

element.  Statistical  analysis  was  performed  excluding  groups  in  which  mNG-positive 

cells were not detected. Point plots in C and D represent the quantified values per brain 

hemisphere (typically 6 regions from 3 mice). *p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001; ****p 

10 

< 0.0001; n.s., not significant. Statistical significance is shown only for the comparisons 

11 

between  AAV  set  #8  (TAREGET-OXT)  and  other  groups  to  avoid  redundancy.  Full 

12 

statistics are shown in Table S1. Data are represented as mean ± SEM. See also Figure 

13 

S1. 

14 

 

15 

Figure  2.  AAV  TAREGET  allows  specific  gene  expression  in  OXT  neurons  but 

16 

requires optimization of promoter activity.     

17 

(A) Scheme of AAV vector constructs to compare two types of mOXT promoter (1.0 kb 

18 

and  2.6  kb)  in  the  AAV  TAREGET  system.  (B)  Representative  images  of  the  PVH 

19 

immunostained for NP1 (OXT neuron). (C) Quantitative comparison of specificity to the 

20 

OXT  neurons.  The  value  of  the  1.0  kb  OXT  promoter  in  Figure  1  was  indicated  for 

21 

comparison.  (D)  Representative  images  of  the  PVH  immunostained  for  AVP.  (E) 

22 

Quantitative comparison of leaky expression of mNG in the AVP neurons. Scale bars, 200 

23 

µm. ***p < 0.001; ****p < 0.0001. Data are represented as mean ± SEM. See also Figures 

24 

S2 and S3. 

25 

 

26 

Figure  3.  TAREGET  strategy  has  greater  suitability  for  the  Tet-Off  system 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

18 

compared to the Cre-lox expression system in OXT neurons. 

(A) Scheme of AAV vector constructs utilizing iCre or destabilized iCre (diCre) in the 

AAV TAREGET  system. AAV9-EF1

α

-DIO-mNG  was  used  as  a  reporter  system.  (B) 

Representative  images  of  the  PVH  immunostained  for  NP1  (OXT  neuron).  (C) 

Quantitative  comparison  of  specificity  to  the  OXT  neurons.  The  value  of  the  tTA-

mediated  labeling  specificity  in  Figure  1  was  indicated  for  comparison.  (D) 

Representative images of the PVH immunostained for AVP. (E) Quantitative comparison 

of leaky expression of mNG in the AVP neurons. The value of the tTA-mediated leaky 

expression in Figure 2 was indicated for comparison. Scale bars, 200 µm. ***p < 0.001; 

****p  <  0.0001;  n.s.,  not  significant.  Data  are  represented  as  mean  ±  SEM.  See  also 

10 

Figure S4. 

11 

 

12 

Figure 4. AAV TAREGET-OXT allows robust reporter gene expression to visualize 

13 

axonal fibers throughout the whole brain in wild-type mice. 

14 

(A) Scheme of the AAV TAREGET vector constructs and experimental paradigm. AAVs 

15 

were  injected  into  the  unilateral  PVH  region  of  mice  at  the  viral  dose  of  3×10

9

  viral 

16 

genome. Whole-brain  imaging  was  performed  using  FAST,  and  coronal  sections  after 

17 

FAST imaging were collected and subjected to post-hoc immunohistochemical analysis 

18 

to  verify  the  OXT  neuron-selective  expression.  (B)  Representative  images  of  coronal 

19 

section (left) and magnification of the PVH outlined with a magenta box (right). (C) The 

20 

3D-rendered  images  of  the  whole  brain.  The  color  scale  represents  the  fluorescent 

21 

intensity for the pal-Scarlet. The dim violet signal is the autofluorescence emitted from 

22 

the brain parenchyma. (D) Representative images of axonal fibers in various brain regions. 

23 

(E)  Representative  images  of  the  post-hoc  immunohistochemical  analysis  after  FAST 

24 

imaging. (F) Validation for the specificity of pal-Scarlet expression to the OXT neurons. 

25 

(G)  Validation  for  efficiency  of  pal-Scarlet  expression  in  the  OXT  neurons.  The  pal-

26 

Scarlet expression was examined at 2 and 3 weeks after viral injection (E and F). NTS, 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

19 

nucleus  tractus  solitarius;  DMX,  dorsal  motor  nucleus  X;  LC,  locus  coeruleus;  PBN, 

parabrachial nucleus; DRN, dorsal raphe nuclei; PAG, periaqueductal gray; VTA ventral 

tegmental area; SN, substantia nigra; PVT, paraventricular nucleus of the thalamus; ACB, 

nucleus accumbens; A, anterior; L lateral; V, ventral. Scale bars, 1 mm (the left panel in 

B and C) and 200 µm (the magnified view in B, D, and E). See also Figure S5. 

 

Figure 5. Application of the TAREGET strategy for labeling other cell types.   

(A) Scheme of the AAV vector constructs for selective gene expression in dopaminergic 

neurons within the VTA using the mTH promoter. (B) Representative images of the VTA 

immunostained  for TH  (dopaminergic  neurons).  Each AAV  group  was  injected  at  two 

10 

different  viral  doses  indicated  in  (A)  into  the VTA  per  side.  (C)  Quantification  of  the 

11 

specificity of mNG expression for dopaminergic neurons. Percentage of mNG and TH 

12 

double-positive cells among mNG-positive cells was quantified. (D) Quantification of the 

13 

efficiency  of  mNG  expression  in  dopaminergic  neurons.  Percentage  of  mNG  and TH 

14 

double-positive  cells among TH-positive cells  was  quantified. VTA, ventral  tegmental 

15 

area. Scale bar, 200 µm (B, the left image in the overlays) and 500 µm (B, the right image 

16 

in the overlay). ***p < 0.001; p<0.0001****. Statistical significance is shown only for 

17 

the comparisons between the optimized TAREGET-TH (10

8

 vg) and other groups to avoid 

18 

redundancy. Full statistics are shown in Table S1. Data are represented as mean ± SEM. 

19 

See also Figures S6–S8. 

20 

 

21 

Figure  6.  Application  of  the  TAREGET  system  for  cell-type-specific  CRISPR-

22 

mediated gene knockdown.   

23 

(A) Scheme of the AAV vector constructs to evaluate knockdown of NeuN via CRISPR-

24 

mediated mutagenesis. The TAREGET-TH tTA-only group was used as a negative control 

25 

that does not affect NeuN expression. The guide and protospacer adjacent motif (PAM) 

26 

sequences for the mouse 

Rbfox3

 (NeuN) gene were indicated in the right panel. Viruses 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

20 

were  injected  into  the  VTA  per  side.  (B)  Representative  images  of  the  VTA 

immunostained for HA-tag (saCas9), TH (dopaminergic neurons), and NeuN (neuronal 

marker).  (C)  Quantification  of  the  specificity  of  HA-tagged  saCas9  expression  to 

dopaminergic  neurons.  Percentage  of  HA  and  TH  double-positive  cells  among  HA-

positive cells was quantified. (D) Quantification of the efficiency of HA-tagged saCas9 

expression  in  dopaminergic  neurons.  Percentage  of  HA  and  TH  double-positive  cells 

among  TH-positive  cells  was  quantified.  (E)  Quantification  of  NeuN 

immunofluorescence intensity in TH-positive cells relative to the tTA-only group. Scale 

bar, 100 µm (B, the upper image in the overlay of TAREGET-TH::saCas9) and 25 µm (B, 

the  lower  image  in  the  overlay  of  TAREGET-TH::saCas9).  p<0.0001****.  Data  are 

10 

represented as mean ± SEM. 

11 

 

12 

 

13 

STAR Methods 

14 

Lead contact 

15 

Further information and requests for resources and reagents should be directed to and will 

16 

be fulfilled by the lead contact, Kaoru Seiriki (seiriki@phs.osaka-u.ac.jp) 

17 

 

18 

Materials Availability 

19 

Plasmids generated in this study will be available by the lead contact upon request.   

20 

 

21 

Data and Code Availability 

22 

 

All data reported in this paper will be shared by the lead contact upon request. 

23 

 

This paper does not report original code. 

24 

 

Any additional information required to reanalyze the data reported in this paper is 

25 

available from the lead contact upon request. 

26 

 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

21 

Experimental Model and Study Participant Details 

Animals 

All  animal  care  and  handling  procedures  were  approved  by  the Animal  Care  and Use 

Committee of Osaka University (approval number R02-8-7). All  efforts  were made to 

minimize  the  number  of  animals  used.  Male  C57BL/6N  or  C57BL/6J  mice  (SLC, 

Shizuoka,  Japan)  aged  7–14  weeks  were  used  throughout  this  study.  The  mice  were 

maintained in group housing (three–six mice per cage), except for singly housed mice. 

They were kept on a 12-hour light-dark cycle (lights on at 8:00 a.m.) with controlled room 

temperature  and  humidity. Water  and  food  (CMF,  Oriental Yeast,  Osaka,  Japan)  were 

available ad libitum. 

10 

 

11 

Cell lines 

12 

Lenti-X  293T  cells  (632180,  Clontech)  were  used  to  produce  the  AAV.  Cells  were 

13 

cultured  in  Dulbecco’s  modified  Eagle’s  medium  with  high  glucose  and  GlutaMAX 

14 

supplement (DMEM, high glucose, GlutaMAX™ Supplement; 10566024, Thermo Fisher 

15 

Scientific) containing 10% fetal bovine serum (Sigma-Aldrich) at 37°C with 5% CO

2

16 

 

17 

 

18 

METHOD DETAILS 

19 

Plasmid construction 

20 

A plasmid editor (ApE)

73

 was used for designing the plasmids. For AAV TAREGET-OXT 

21 

plasmid construction, the tTA advanced and SV40 polyadenylation signal sequences were 

22 

cloned by PCR amplification from the pTet-Off Advanced vector (631070, Clontech) and 

23 

inserted  into  a  linearized  pAAV-TRE-DIO-FlpO

74

  (Addgene  #118027)  backbone 

24 

(digested with HindIII and MluI) using an In-Fusion cloning system (639650, Clontech). 

25 

The  residual  hGH  polyadenylation  signal  in  the  plasmid  backbone  was  removed  by 

26 

digestion with BstEII and BglII, followed by blunt endings and self-ligation. The resulting 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

22 

plasmid had a promoterless TAREGET backbone, pAAV-inverted WPRE (IW)-tTA-pA. 

The 1.0 kb

29

 and 2.6 kb

32

 lengths of mOXTp were cloned by PCR amplification using 

pAAV-mOXT-hM3Dq-mCherry

29

  (#70717,  Addgene)  and  C57BL/6J  mouse  genomic 

DNA, respectively, and inserted into the TAREGET backbone using the In-Fusion system. 

For  TAREGET-TPH2  and  TAREGET-TH  plasmid  construction,  the  2.0  kb  length  of 

mTPH2p

58,59

 and the 2.6 kb length of mTHp

57

 were cloned by PCR amplification using 

C57BL/6J mouse genome DNA and inserted into the TAREGET backbone in the same 

way as the TAREGET-OXT. The other plasmids shown in Figure 1 (plasmids for OXT 

neurons),  5  (plasmids  for  dopaminergic  neurons),  and  S8  (plasmids  for  serotonergic 

neurons)  were  prepared  from  pAAV-mOXT-hM3Dq-mCherry,  pAAV-TRE-

10 

mNeonGreen

57

 (#99131, Addgene), and plasmids for TAREGET AAVs carrying mOXTp, 

11 

mTHp,  and  mTPH2p,  using  basic  subcloning  techniques.  For  Cre-driver  plasmid 

12 

construction,  tTA  in  the AAV  TAREGET-OXT  (pAAV-IW-mOXT-tTA)  was  removed 

13 

using EcoRI and BamHI, and iCre or iCre together with the degradation signal CL1-PEST, 

14 

which was cloned by PCR from the pAAV-Fos-dER

T2

CreER

T2 

plasmid

75

, waw inserted 

15 

using  the  In-Fusion  system.  To  construct  pAAV-EF1-DIO-mNeonGreen,  pAAV-EF1-

16 

DIO-hM3Dq-mCherry  (#50460,  Addgene)  and  pAAV-CAG-fDIO-mNeonGreen

57

 

17 

(#99133, Addgene)  were  digested  using AscI  and  NheI,  and  the    mNeonGreen  DNA 

18 

fragment  was  inserted  into  the  linearized  pAAV-EF1-DIO  vector. To  construct  pAAV-

19 

TRE-pal-mScarlet-WPRE,  mScaelet  was  cloned  and  fused  to  the  C-terminus  of  the 

20 

GAP43 palmitoylation domain by PCR amplification using pAAV-CaMKIIa-mScarlet

76

 

21 

(#131000, Addgene)  and  a  primer  with  an  additional  sequence  encoding  the  GAP43 

22 

palmitoylation domain as previously described

77

. The pal-mScarlet PCR amplicon was 

23 

inserted into the linearized pAAV-TRE vector (pAAV-TRE-mNeonGreen digested with 

24 

KpnI  and  EcoRI)  using  the  In-Fusion  system.  To  construct  pAAV-CMV-saCas9-U6-

25 

sgNeuN,  the  guide  sequence  for  sgRNA  targeting  mouse  NeuN  (

Rbfox3

),  5’-

 

26 

CGCCTCAGAATGGAATCCCAG-3’ was designed using the Benchling CRISPR Guide 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

23 

RNA  Design  tool  (https://www.benchling.com/crispr).  The  pAAV-CMV-saCas9-U6-

BsaI-sgRNA  (#61591,  Addgene)  was  digested  with  BsaI,  and  synthesized 

oligonucleotides (the guide  sequence  with complementary sequences to the  overhangs 

generated by BsaI digestion) were inserted by ligation. To further construct pAAV-TRE-

saCas9-U6-sgNeuN,  the  mNeonGreen  gene  and  WPRE  sequence  in  the  pAAV-TRE-

mNeonGreen  was  replaced  with  saCas9-U6-sgNeuN  in  the  pAAV-CMV-saCas9-U6-

sgNeuN via restriction enzyme digestion with NcoI and PvuI followed by ligation.   

 

Viral vector production and purification 

AAV  vectors  were  produced  using  the  helper-free  triple  transfection  procedure,  as 

10 

described previously

70

 with minor modifications. Briefly, an AAV transgene plasmid was 

11 

transfected  into  Lenti-X  293T  cells  using  polyethyleneimine  (PEI  MAX;  24765, 

12 

Polyscience Inc.) with a pAAV2/9n plasmid (#112865, Addgene), which supplied AAV2 

13 

replication proteins and AAV9 capsid proteins, and a pHelper plasmid, which supplied 

14 

the adenovirus gene products required for AAV production. Cells were harvested 72 h 

15 

after transfection and suspended in a buffer containing 100 mM Tris (pH 7.6), 100 mM 

16 

MgCl2, and 500 mM NaCl. The cell suspension was subjected to three freeze-thaw cycles 

17 

and treated with ≥250 U/µL of Benzonase nuclease (Sigma-Aldrich, St Louis, MO) at 

18 

37℃ for at least 40 min. The suspension was centrifuged at 3,000 × 

g

 for 15 min at 4℃, 

19 

and the supernatant was loaded onto an iodixanol step gradient (15, 25, 40, and 60%; 

20 

Optiprep,  Cosmo  Bio)  and  centrifuged  at  278,400  × 

g

  for  105  min  at  18℃.  After 

21 

centrifugation,  the  40/60%  interface  and  the  40%  layer  containing AAV  vectors  were 

22 

collected  and  replaced  with  D-PBS  containing  0.001%  (v/v)  Pluronic  F-68  via 

23 

ultrafiltration using an Amicon Ultra-15 centrifugal filter (100-kDa cutoff; UFC910024, 

24 

Millipore)  to  concentrate  the AAV  vectors.  The  titer  of AAV  was  quantified  using  a 

25 

quantitative real-time polymerase chain reaction with GoTaq qPCR Master Mix (Cat# 

26 

A6001, Promega), with a linearized AAV genome plasmid serving as a standard.   

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

24 

 

Stereotaxic surgery 

Mice  were  deeply  anesthetized  by  intraperitoneal  injection  of  an  anesthetic  cocktail 

containing  0.75  mg/kg  medetomidine  (Nippon  Zenyaku  Kogyo,  Fukushima,  Japan),  4 

mg/kg midazolam (Sandoz Pharma, Basel, Switzerland), and 5 mg/kg butorphanol (Meiji 

Seika Pharma, Tokyo, Japan) and placed in a stereotaxic instrument (RWD Life Science 

Co., LTD, San Diego, CA). The AAV vectors were injected into the bilateral or unilateral 

PVH (anteroposterior (AP)  −0.7  mm,  mediolateral (ML) ±0.3  mm, dorsoventral (DV) 

−5.0 mm to −5.2 mm from the bregma), the DRN (AP −4.6 mm, ML 0.0 mm, DV −3.3 

mm from the bregma with 20°-angled injection), and the VTA (AP −3.6 mm, ML ±0.6 

10 

mm,  DV  −4.6  mm  from  the  bregma)  using  a  Neuros  Syringe  with  a  33-gauge  needle 

11 

(Hamilton,  Reno, NV)  and an UltraMicroPomp3 with  SMARTouch  Controller (World 

12 

Precision Instruments) at a rate of 100 nL/min. For TAREGET-OXT AAVs, each AAV set 

13 

was injected at doses of 1 × 10

9

 and 3 × 10

9

 vg (viral genomes) per side, as shown in 

14 

Figures 1–3 and Figure 4, respectively. For AAVs carrying the mTHp and mTPH2p, each 

15 

single AAV was injected at two doses: 1 × 10

8

 vg and 1 × 10

9

 vg, and the TAREGET-TH 

16 

AAV cocktail (tTA driver AAV : TRE reporter AAV) was injected at two ratios: 1 × 10

9

 

17 

vg with 1 × 10

9

 vg, and 1 × 10

8

 vg with 1 × 10

8

 vg per side. For TAREGET-TPH2, the 

18 

AAV cocktail (tTA driver AAV : TRE reporter AAV) was injected at two ratios: 1 × 10

9

 

19 

vg with 1 × 10

9

 vg, and 1 × 10

7

 vg with 1 × 10

9

 vg. The needle was kept in place for 3 

20 

min before being slowly removed to avoid backflow. Following stereotaxic surgery, the 

21 

mice received an intraperitoneal injection of atipamezole (0.75 mg/kg; Nippon Zenyaku 

22 

Kogyo)  and  gentamicin  (10  mg/kg;  Sigma-Aldrich)  immediately.  One  day  after  the 

23 

surgery, an intraperitoneal injection of buprenorphine (0.1 mg/kg; Otsuka Pharma, Tokyo, 

24 

Japan) was administered to relieve pain. 

25 

 

26 

Tissue preparation 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

25 

Mice  were  deeply  anesthetized  by  intraperitoneal  injection  of  an  anesthetic  cocktail 

containing  medetomidine  (0.75  mg/kg),  midazolam  (4  mg/kg),  and  butorphanol  (5 

mg/kg). Anesthetized  mice  were  transcardially  perfused  with  saline  followed  by  4% 

paraformaldehyde (Nacalai Tesque, Kyoto, Japan) dissolved in phosphate-buffered saline 

(PBS). Brain tissues were excised and immersed in a 4% paraformaldehyde solution until 

use. For immunohistochemical analysis, fixed brains were cryoprotected in 20% (w/v) 

sucrose dissolved in PBS for two days, embedded in OCT compound (Sakura Finetek) 

and  quickly  frozen  on  liquid  nitrogen.  For  whole-brain  imaging,  fixed  brains  were 

embedded in 4% (w/v) agarose gel.   

 

10 

Immunohistochemical analysis 

11 

Brain  tissues  were  sliced  into  25-µm-thick  coronal  sections  using  a  cryostat.  Serial 

12 

sections were alternately and separately collected into two groups (e.g., 20–30 sections 

13 

from one brain per group for the PVH). For immunohistochemical analysis of the PVH, 

14 

one group of sections was used for immunostaining for NP1, and the other was used for 

15 

immunostaining  for AVP,  as  necessary.  For  the  immunohistochemical  analysis  of  the 

16 

DRN and VTA, only one group of sections was used for immunostaining. In the post-hoc 

17 

immunohistochemical analysis after whole-brain imaging in Figure 4, the 50-µm-thick 

18 

coronal  sections  after  FAST  imaging  were  collected  (see  also  Whole-brain  imaging 

19 

method  section).  The  sections  were  subjected  to  conventional  free-floating  staining. 

20 

Briefly,  sections  were  incubated  with  1%  bovine  serum  albumin  (Nacalai  Tesque) 

21 

dissolved in PBS containing 0.3% (v/v) Triton X-100 (Nacalai Tesque) for 1 hour at room 

22 

temperature for blocking and permeabilization.   

23 

To determine the cell type expressing fluorescent proteins, sections were stained by 

24 

following procedures. For the primary antibody reaction, sections were incubated with 

25 

mouse  anti-NP1  monoclonal  antibody  (1:1,000  dilution;  cat#

 

MABN844,  Merck 

26 

Millipore), rabbit anti-AVP polyclonal antibody (1:1,000 dilution; cat#

 

ab213708, abcam), 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

26 

rabbit  anti-TPH2  polyclonal  antibody  (1:1000  dilution;  cat#  NB100-74555,  Novus 

Biologicals)  or  chicken  anti-TH  polyclonal  antibody  (1:1000  dilution;  cat#  ab76442, 

abcam) overnight at room temperature. For the secondary antibody reaction, the sections 

were  incubated  with  Alexa  568-conjugated  goat  anti-mouse  or  anti-rabbit 

immunoglobulin  G  (IgG), Alexa  568-conjugated  goat  anti-chicken  immunoglobulin Y 

(IgY), or Alexa 488-conjugated goat anti-mouse IgG antibodies (1:1,000 dilution; cat# 

ab175473,  ab175471,  ab175477  and  ab150113,  respectively,  abcam)  for  2  h  at  room 

temperature.  For  the  evaluation  of  cell  death  induction,  rabbit  anti-cleaved  caspase-3 

antibody  (1:400  dilution;  cat#  9661S,  Cell  Signaling  Technology)  and  Alexa  568-

conjugated goat anti-rabbit IgG antibody (1:1,000 dilution) were used with mouse anti-

10 

NP1  and  Alexa  647-conjugated  goat  anti-mouse  IgG  antibodies  (cat#  ab150115  for 

11 

secondary  antibody,  abcam).  For  the  knockdown  experiment  using AAVs  carrying  the 

12 

saCas9 gene, sections were stained as follows. For the primary antibody reaction, sections 

13 

were  incubated  with  mouse  anti-HA-tag  monoclonal  antibody  (1:1,000  dilution;  cat# 

14 

M180-3, MBL, Tokyo, Japan), rabbit anti-NeuN monoclonal antibody (1:500 dilution; 

15 

cat# ab177487, abcam), and chicken anti-TH polyclonal antibody (1:1,000 dilution; cat# 

16 

ab76442, abcam) overnight at room temperature. For the secondary antibody reaction, 

17 

sections  were  incubated  with Alexa  488-conjugated  goat  anti-mouse  IgG, Alexa  568-

18 

conjugated  goat  anti-rabbit  IgG,  and  Alexa  647-conjugated  goat  anti-chicken  IgY 

19 

antibodies (1:1,000 dilution; ab150113, ab175471, and ab150171, respectively, abcam) 

20 

for 2 h at room temperature. Tissue sections with following AP coordinates were imaged 

21 

for  quantification  of  fluorescence-positive  cells  using  a  fluorescence  microscope  (BZ-

22 

X810, Keyence): AP −1.2 mm to 0 mm for the PVH; AP −4.7 mm to −4.0 mm for the 

23 

DRN; and AP −3.7 mm to −3.3 mm for the VTA. The number of fluorescence-positive 

24 

cells in the field of view (FOV; 1.08 mm × 1.44 mm) including the PVH, DRN, and VTA 

25 

was  manually  counted  using  ImageJ/FIJI

78

.  Specificity,  efficiency,  and  leakage  were 

26 

calculated for each injection site, and cells in the bilateral PVH and VTA were counted 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

27 

separately.  The  immunofluorescence  intensity  of  NeuN  in  dopaminergic  neurons  was 

quantified using ImageJ/FIJI as follows: (1) the region of interest (ROI) mask for TH-

positive  cells  were  generated  using  background  subtraction  and  binarization  by 

brightness-thresholding, and (2) the fluorescence intensity of immunolabeled NeuN per 

TH-positive ROI area was measured. 

 

Whole-brain imaging and data processing 

Whole-brain imaging was performed using a high-speed serial-section imaging system, 

FAST,  which  was  developed  in  previous  studies

55,56

.  Briefly,  brain  tissue  blocks 

embedded in a 4% agarose gel were placed in the sample chamber of the FAST system. 

10 

Brain section images were acquired as a mosaic of fields of view with 20% overlap in the 

11 

x-y plane and 25-µm overlap in the z-direction, with a resolution of 1.0 µm × 1.0 µm × 

12 

5.0 µm. We acquired images with two color channels: red fluorescence excited by a 561 

13 

nm laser and green autofluorescence excited by a 488 nm laser. The x-y plane section 

14 

images were reconstructed by overlapping the alignment of consecutive sections using a 

15 

previously reported stitching program, FASTicher

56

, with minor modifications in Python 

16 

3.8. Reconstructed serial section images were downsized to 5.0 µm × 5.0 µm × 50 µm 

17 

and exported to Imaris software (Bitplane) for three-dimensional volume rendering. 

18 

 

19 

QUANTIFICATION AND STATISTICAL ANALYSIS 

20 

All data are presented as the mean 

±

  SEM. Statistical analyses were conducted on R 

21 

using  the  following  functions:  var.test(),  t.test(),  bartlett.test(),  oneway.test(),  and 

22 

pairwise.t.test(). For two-group comparisons, the F-test was used to assess the equality of 

23 

variances, and the unpaired Student’s t-test or Welch’s t-test was used, depending on the 

24 

equality of variances. For multiple comparisons, equality of variances was examined by 

25 

the Bartlett test, and statistical significance was evaluated by one-way ANOVA followed 

26 

by the Holm-Bonferroni test or Welch’s ANOVA followed by Welch’s t-test with Holm 

27 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

28 

correction depending on the equality of variances. Statistical information, including the 

sample size, is indicated in the figure legends. Statistical significance was set at p < 0.05*, 

p < 0.01**, p < 0.001***, and p < 0.0001****. 

 

 

 

 

 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

29 

References 

 

1.  Zeng, H., and Sanes, J.R. (2017). Neuronal cell-type classification: challenges, 

opportunities and the path forward. Nat. Rev. Neurosci. 

18

, 530–546. 

2.  Zeng, H. (2022). What is a cell type and how to define it? Cell 

185

, 2739–2755. 

3.  Taniguchi, H., He, M., Wu, P., Kim, S., Paik, R., Sugino, K., Kvitsiani, D., Fu, Y., 

Lu, J., Lin, Y., et al. (2011). A resource of Cre driver lines for genetic targeting of 

GABAergic neurons in cerebral cortex. Neuron 

71

, 995–1013. 

4.  Harris, J.A., Hirokawa, K.E., Sorensen, S.A., Gu, H., Mills, M., Ng, L.L., Bohn, P., 

Mortrud, M., Ouellette, B., Kidney, J., et al. (2014). Anatomical characterization of 

10 

Cre driver mice for neural circuit mapping and manipulation. Front. Neural 

11 

Circuits 

8

, 76. 

12 

5.  Matthaei, K.I. (2007). Genetically manipulated mice: a powerful tool with 

13 

unsuspected caveats. J. Physiol. 

582

, 481–488. 

14 

6.  Chen, Y., Molet, J., Gunn, B.G., Ressler, K., and Baram, T.Z. (2015). Diversity of 

15 

Reporter Expression Patterns in Transgenic Mouse Lines Targeting Corticotropin-

16 

Releasing Hormone-Expressing Neurons. Endocrinology 

156

, 4769–4780. 

17 

7.  Lammel, S., Steinberg, E.E., Foldy, C., Wall, N.R., Beier, K., Luo, L., and 

18 

Malenka, R.C. (2015). Diversity of transgenic mouse models for selective targeting 

19 

of midbrain dopamine neurons. Neuron 

85

, 429–438. 

20 

8.  Gil-Sanz, C., Espinosa, A., Fregoso, S.P., Bluske, K.K., Cunningham, C.L., 

21 

Martinez-Garay, I., Zeng, H., Franco, S.J., and Müller, U. (2015). Lineage Tracing 

22 

Using Cux2-Cre and Cux2-CreERT2 Mice. Neuron 

86

, 1091–1099. 

23 

9.  Wang, W.X., Qiao, J., and Lefebvre, J.L. (2022). PV-IRES-Cre mouse line targets 

24 

excitatory granule neurons in the cerebellum. Mol. Brain 

15

, 85. 

25 

10.  Wissing, C., Maheu, M., Wiegert, J.S., and Dieter, A. (2022). Targeting 

26 

noradrenergic neurons of the locus coeruleus: A comparison of model systems and 

27 

strategies. bioRxiv, 2022.01.22.477348. 10.1101/2022.01.22.477348. 

28 

11.  Nigro, M.J., Kirikae, H., Kjelsberg, K., Nair, R.R., and Witter, M.P. (2021). Not All 

29 

That Is Gold Glitters: PV-IRES-Cre Mouse Line Shows Low Efficiency of 

30 

Labeling of Parvalbumin Interneurons in the Perirhinal Cortex. Front. Neural 

31 

Circuits 

15

, 781928. 

32 

12.  Portales-Casamar, E., Swanson, D.J., Liu, L., de Leeuw, C.N., Banks, K.G., Ho 

33 

Sui, S.J., Fulton, D.L., Ali, J., Amirabbasi, M., Arenillas, D.J., et al. (2010). A 

34 

regulatory toolbox of MiniPromoters to drive selective expression in the brain. 

35 

Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 

107

, 16589–16594. 

36 

13.  Fields, R.L., Ponzio, T.A., Kawasaki, M., and Gainer, H. (2012). Cell-type specific 

37 

oxytocin gene expression from AAV delivered promoter deletion constructs into 

38 

the rat supraoptic nucleus in vivo. PLoS One 

7

, e32085. 

39 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

30 

14.  Ponzio, T.A., Fields, R.L., Rashid, O.M., Salinas, Y.D., Lubelski, D., and Gainer, 

H. (2012). Cell-type specific expression of the vasopressin gene analyzed by AAV 

mediated gene delivery of promoter deletion constructs into the rat SON in vivo. 

PLoS One 

7

, e48860. 

15.  De Leeuw, C.N., Korecki, A.J., Berry, G.E., Hickmott, J.W., Lam, S.L., Lengyell, 

T.C., Bonaguro, R.J., Borretta, L.J., Chopra, V., Chou, A.Y., et al. (2016). RAAV-

compatible MiniPromoters for restricted expression in the brain and eye. Mol. 

Brain 

9

, 52. 

16.  Hoshino, C., Konno, A., Hosoi, N., Kaneko, R., Mukai, R., Nakai, J., and Hirai, H. 

(2021). GABAergic neuron-specific whole-brain transduction by AAV-PHP.B 

10 

incorporated with a new GAD65 promoter. Mol. Brain 

14

, 33. 

11 

17.  Dimidschstein, J., Chen, Q., Tremblay, R., Rogers, S.L., Saldi, G.-A., Guo, L., Xu, 

12 

Q., Liu, R., Lu, C., Chu, J., et al. (2016). A viral strategy for targeting and 

13 

manipulating interneurons across vertebrate species. Nat. Neurosci. 

19

, 1743–

14 

1749. 

15 

18.  Vormstein-Schneider, D., Lin, J.D., Pelkey, K.A., Chittajallu, R., Guo, B., Arias-

16 

Garcia, M.A., Allaway, K., Sakopoulos, S., Schneider, G., Stevenson, O., et al. 

17 

(2020). Viral manipulation of functionally distinct interneurons in mice, non-

18 

human primates and humans. Nat. Neurosci. 

23

, 1629–1636. 

19 

19.  Graybuck, L.T., Daigle, T.L., Sedeño-Cortés, A.E., Walker, M., Kalmbach, B., 

20 

Lenz, G.H., Morin, E., Nguyen, T.N., Garren, E., Bendrick, J.L., et al. (2021). 

21 

Enhancer viruses for combinatorial cell-subclass-specific labeling. Neuron 

109

22 

1449-1464.e13. 

23 

20.  Mich, J.K., Graybuck, L.T., Hess, E.E., Mahoney, J.T., Kojima, Y., Ding, Y., 

24 

Somasundaram, S., Miller, J.A., Kalmbach, B.E., Radaelli, C., et al. (2021). 

25 

Functional enhancer elements drive subclass-selective expression from mouse to 

26 

primate neocortex. Cell Rep. 

34

, 108754. 

27 

21.  Rolland, A.-S., Kareva, T., Kholodilov, N., and Burke, R.E. (2017). A quantitative 

28 

evaluation of a 2.5-kb rat tyrosine hydroxylase promoter to target expression in 

29 

ventral mesencephalic dopamine neurons in vivo. Neuroscience 

346

, 126–134. 

30 

22.  Nishitani, N., Nagayasu, K., Asaoka, N., Yamashiro, M., Andoh, C., Nagai, Y., 

31 

Kinoshita, H., Kawai, H., Shibui, N., Liu, B., et al. (2019). Manipulation of dorsal 

32 

raphe serotonergic neurons modulates active coping to inescapable stress and 

33 

anxiety-related behaviors in mice and rats. Neuropsychopharmacology 

44

, 721–

34 

732. 

35 

23.  Wu, Z., Yang, H., and Colosi, P. (2010). Effect of genome size on AAV vector 

36 

packaging. Mol. Ther. 

18

, 80–86. 

37 

24.  Dong, B., Nakai, H., and Xiao, W. (2010). Characterization of genome integrity for 

38 

oversized recombinant AAV vector. Mol. Ther. 

18

, 87–92. 

39 

25.  Meyer-Lindenberg, A., Domes, G., Kirsch, P., and Heinrichs, M. (2011). Oxytocin 

40 

and vasopressin in the human brain: social neuropeptides for translational 

41 

medicine. Nat. Rev. Neurosci. 

12

, 524–538. 

42 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

31 

26.  Dolen, G., Darvishzadeh, A., Huang, K.W., and Malenka, R.C. (2013). Social 

reward requires coordinated activity of nucleus accumbens oxytocin and serotonin. 

Nature 

501

, 179–184. 

27.  Marlin, B.J., Mitre, M., D’amour, J.A., Chao, M.V., and Froemke, R.C. (2015). 

Oxytocin enables maternal behaviour by balancing cortical inhibition. Nature 

520

499–504. 

28.  Inada, K., Hagihara, M., Tsujimoto, K., Abe, T., Konno, A., Hirai, H., Kiyonari, H., 

and Miyamichi, K. (2022). Plasticity of neural connections underlying oxytocin-

mediated parental behaviors of male mice. Neuron 

110

, 2009-2023.e5. 

29.  Peñagarikano, O., Lázaro, M.T., Lu, X.-H., Gordon, A., Dong, H., Lam, H.A., 

10 

Peles, E., Maidment, N.T., Murphy, N.P., Yang, X.W., et al. (2015). Exogenous and 

11 

evoked oxytocin restores social behavior in the Cntnap2 mouse model of autism. 

12 

Sci. Transl. Med. 

7

, 271ra8. 

13 

30.  Kitagawa, K., Matsumura, K., Baba, M., Kondo, M., Takemoto, T., Nagayasu, K., 

14 

Ago, Y., Seiriki, K., Hayata-Takano, A., Kasai, A., et al. (2021). Intranasal oxytocin 

15 

administration ameliorates social behavioral deficits in a POGZWT/Q1038R 

16 

mouse model of autism spectrum disorder. Mol. Brain 

14

, 56. 

17 

31.  Takemoto, T., Baba, M., Yokoyama, K., Kitagawa, K., Nagayasu, K., Ago, Y., 

18 

Seiriki, K., Hayata-Takano, A., Kasai, A., Mori, D., et al. (2022). Oxytocin 

19 

ameliorates impaired social behavior in a mouse model of 3q29 deletion syndrome. 

20 

Mol. Brain 

15

, 26. 

21 

32.  Knobloch, H.S., Charlet, A., Hoffmann, L.C., Eliava, M., Khrulev, S., Cetin, A.H., 

22 

Osten, P., Schwarz, M.K., Seeburg, P.H., Stoop, R., et al. (2012). Evoked axonal 

23 

oxytocin release in the central amygdala attenuates fear response. Neuron 

73

, 553–

24 

566. 

25 

33.  Eliava, M., Melchior, M., Knobloch-Bollmann, H.S., Wahis, J., da Silva Gouveia, 

26 

M., Tang, Y., Ciobanu, A.C., Triana Del Rio, R., Roth, L.C., Althammer, F., et al. 

27 

(2016). A New Population of Parvocellular Oxytocin Neurons Controlling 

28 

Magnocellular Neuron Activity and Inflammatory Pain Processing. Neuron 

89

29 

1291–1304. 

30 

34.  Oettl, L.L., Ravi, N., Schneider, M., Scheller, M.F., Schneider, P., Mitre, M., da 

31 

Silva Gouveia, M., Froemke, R.C., Chao, M.V., Young, W.S., et al. (2016). 

32 

Oxytocin Enhances Social Recognition by Modulating Cortical Control of Early 

33 

Olfactory Processing. Neuron 

90

, 609–621. 

34 

35.  Zheng, J.-J., Li, S.-J., Zhang, X.-D., Miao, W.-Y., Zhang, D., Yao, H., and Yu, X. 

35 

(2014). Oxytocin mediates early experience-dependent cross-modal plasticity in 

36 

the sensory cortices. Nat. Neurosci. 

17

, 391–399. 

37 

36.  Thirtamara Rajamani, K., Leithead, A.B., Kim, M., Barbier, M., Peruggia, M., 

38 

Niblo, K., Barteczko, L., Lefevre, A., Grinevich, V., and Harony-Nicolas, H. 

39 

(2021). Efficiency of cell-type specific and generic promoters in transducing 

40 

oxytocin neurons and monitoring their neural activity during lactation. Sci. Rep. 

41 

11

, 22541. 

42 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

32 

37.  Haberman, R.P., McCown, T.J., and Samulski, R.J. (2000). Novel Transcriptional 

Regulatory Signals in the Adeno-Associated Virus Terminal Repeat A/D Junction 

Element. J. Virol. 

74

, 8732–8739. 

38.  Nair, R.R., Blankvoort, S., Lagartos, M.J., and Kentros, C. (2020). Enhancer-

Driven Gene Expression (EDGE) Enables the Generation of Viral Vectors Specific 

to Neuronal Subtypes. iScience 

23

, 100888. 

39.  Zufferey, R., Donello, J.E., Trono, D., and Hope, T.J. (1999). Woodchuck hepatitis 

virus posttranscriptional regulatory element enhances expression of transgenes 

delivered by retroviral vectors. J. Virol. 

73

, 2886–2892. 

40.  Shaner, N.C., Lambert, G.G., Chammas, A., Ni, Y., Cranfill, P.J., Baird, M.A., Sell, 

10 

B.R., Allen, J.R., Day, R.N., Israelsson, M., et al. (2013). A bright monomeric 

11 

green fluorescent protein derived from Branchiostoma lanceolatum. Nat. Methods 

12 

10

, 407–409. 

13 

41.  Dierickx, K., and Vandesande, F. (1979). Immunocytochemical demonstration of 

14 

separate vasopressin-neurophysin and oxytocin-neurophysin neurons in the human 

15 

hypothalamus. Cell Tissue Res. 

196

, 203–212. 

16 

42.  Hörnberg, H., Pérez-Garci, E., Schreiner, D., Hatstatt-Burklé, L., Magara, F., 

17 

Baudouin, S., Matter, A., Nacro, K., Pecho-Vrieseling, E., and Scheiffele, P. 

18 

(2020). Rescue of oxytocin response and social behaviour in a mouse model of 

19 

autism. Nature 

584

, 252–256. 

20 

43.  Liu, B., Wang, S., Brenner, M., Paton, J.F.R., and Kasparov, S. (2008). 

21 

Enhancement of cell-specific transgene expression from a Tet-Off regulatory 

22 

system using a transcriptional amplification strategy in the rat brain. J. Gene Med. 

23 

10

, 583–592. 

24 

44.  Sohn, J., Takahashi, M., Okamoto, S., Ishida, Y., Furuta, T., and Hioki, H. (2017). 

25 

A Single Vector Platform for High-Level Gene Transduction of Central Neurons: 

26 

Adeno-Associated Virus Vector Equipped with the Tet-Off System. PLoS One 

12

27 

e0169611. 

28 

45.  Sakaguchi, R., Leiwe, M.N., and Imai, T. (2018). Bright multicolor labeling of 

29 

neuronal circuits with fluorescent proteins and chemical tags. Elife 

7

, 1–28. 

30 

46.  Yaguchi, K., Hagihara, M., Konno, A., Hirai, H., Yukinaga, H., and Miyamichi, K. 

31 

(2023). Dynamic modulation of pulsatile activities of oxytocin neurons in lactating 

32 

wild-type mice. PLoS One 

18

, e0285589. 

33 

47.  Atasoy, D., Aponte, Y., Su, H.H., and Sternson, S.M. (2008). A FLEX switch 

34 

targets Channelrhodopsin-2 to multiple cell types for imaging and long-range 

35 

circuit mapping. J. Neurosci. 

28

, 7025–7030. 

36 

48.  Shimshek, D.R., Kim, J., Hübner, M.R., Spergel, D.J., Buchholz, F., Casanova, E., 

37 

Stewart, A.F., Seeburg, P.H., and Sprengel, R. (2002). Codon-improved Cre 

38 

recombinase (iCre) expression in the mouse. Genesis 

32

, 19–26. 

39 

49.  Eguchi, M., and Yamaguchi, S. (2009). In vivo and in vitro visualization of gene 

40 

expression dynamics over extensive areas of the brain. Neuroimage 

44

, 1274–

41 

1283. 

42 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

33 

50.  Son, S., Manjila, S.B., Newmaster, K.T., Wu, Y.-T., Vanselow, D.J., Ciarletta, M., 

Anthony, T.E., Cheng, K.C., and Kim, Y. (2022). Whole-Brain Wiring Diagram of 

Oxytocin System in Adult Mice. J. Neurosci. 

42

, 5021–5033. 

51.  Freda, S.N., Priest, M.F., Badong, D., Xiao, L., Liu, Y., and Kozorovitskiy, Y. 

(2022). Brainwide input-output architecture of paraventricular oxytocin and 

vasopressin neurons. bioRxiv, 2022.01.17.476652. 10.1101/2022.01.17.476652. 

52.  Bindels, D.S., Haarbosch, L., van Weeren, L., Postma, M., Wiese, K.E., Mastop, 

M., Aumonier, S., Gotthard, G., Royant, A., Hink, M.A., et al. (2017). mScarlet: a 

bright monomeric red fluorescent protein for cellular imaging. Nat. Methods 

14

53–56. 

10 

53.  Furuta, T., Tomioka, R., Taki, K., Nakamura, K., Tamamaki, N., and Kaneko, T. 

11 

(2001). In vivo transduction of central neurons using recombinant Sindbis virus: 

12 

Golgi-like labeling of dendrites and axons with membrane-targeted fluorescent 

13 

proteins. J. Histochem. Cytochem. 

49

, 1497–1508. 

14 

54.  Hioki, H., Kuramoto, E., Konno, M., Kameda, H., Takahashi, Y., Nakano, T., 

15 

Nakamura, K.C., and Kaneko, T. (2009). High-level transgene expression in 

16 

neurons by lentivirus with Tet-Off system. Neurosci. Res. 

63

, 149–154. 

17 

55.  Seiriki, K., Kasai, A., Hashimoto, T., Schulze, W., Niu, M., Yamaguchi, S., 

18 

Nakazawa, T., Inoue, K.-I., Uezono, S., Takada, M., et al. (2017). High-Speed and 

19 

Scalable Whole-Brain Imaging in Rodents and Primates. Neuron 

94

, 1085-1100.e6. 

20 

56.  Seiriki, K., Kasai, A., Nakazawa, T., Niu, M., Naka, Y., Tanuma, M., Igarashi, H., 

21 

Yamaura, K., Hayata-Takano, A., Ago, Y., et al. (2019). Whole-brain block-face 

22 

serial microscopy tomography at subcellular resolution using FAST. Nat. Protoc. 

23 

10.1038/s41596-019-0148-4. 

24 

57.  Chan, K.Y., Jang, M.J., Yoo, B.B., Greenbaum, A., Ravi, N., Wu, W.L., Sánchez-

25 

Guardado, L., Lois, C., Mazmanian, S.K., Deverman, B.E., et al. (2017). 

26 

Engineered AAVs for efficient noninvasive gene delivery to the central and 

27 

peripheral nervous systems. Nat. Neurosci. 

20

, 1172–1179. 

28 

58.  Nagai, Y., Takayama, K., Nishitani, N., Andoh, C., Koda, M., Shirakawa, H., 

29 

Nakagawa, T., Nagayasu, K., Yamanaka, A., and Kaneko, S. (2020). The Role of 

30 

Dorsal Raphe Serotonin Neurons in the Balance between Reward and Aversion. 

31 

Int. J. Mol. Sci. 

21

. 10.3390/ijms21062160. 

32 

59.  Nagai, Y., Kisaka, Y., Nomura, K., Nishitani, N., Andoh, C., Koda, M., Kawai, H., 

33 

Seiriki, K., Nagayasu, K., Kasai, A., et al. (2023). Dorsal raphe serotonergic 

34 

neurons preferentially reactivate dorsal dentate gyrus cell ensembles associated 

35 

with positive experience. Cell Rep. 

42

, 112149. 

36 

60.  Ran, F.A., Cong, L., Yan, W.X., Scott, D.A., Gootenberg, J.S., Kriz, A.J., Zetsche, 

37 

B., Shalem, O., Wu, X., Makarova, K.S., et al. (2015). In vivo genome editing 

38 

using Staphylococcus aureus Cas9. Nature 

520

, 186–191. 

39 

61.  Hunker, A.C., Soden, M.E., Krayushkina, D., Heymann, G., Awatramani, R., and 

40 

Zweifel, L.S. (2020). Conditional single vector CRISPR/SaCas9 viruses for 

41 

efficient Mutagenesis in the adult mouse nervous system. Cell Rep. 

30

, 4303-

42 

4316.e6. 

43 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

34 

62.  Gusel’nikova, V.V., and Korzhevskiy, D.E. (2015). NeuN As a Neuronal Nuclear 

Antigen and Neuron Differentiation Marker. Acta Naturae 

7

, 42–47. 

63.  Zeng, H., and Madisen, L. (2012). Mouse transgenic approaches in optogenetics. 

Prog. Brain Res. 

196

, 193–213. 

64.  Sun, H., Fu, S., Cui, S., Yin, X., Sun, X., Qi, X., Cui, K., Wang, J., Ma, L., Liu, F.-

Y., et al. (2020). Development of a CRISPR-SaCas9 system for projection- and 

function-specific gene editing in the rat brain. Sci Adv 

6

, eaay6687. 

65.  Stevens, L., Vonck, K., Larsen, L.E., Van Lysebettens, W., Germonpré, C., 

Baekelandt, V., Van den Haute, C., Carrette, E., Wadman, W.J., Boon, P., et al. 

(2020). A Feasibility Study to Investigate Chemogenetic Modulation of the Locus 

10 

Coeruleus by Means of Single Unit Activity. Front. Neurosci. 

14

, 1–9. 

11 

66.  Swanson, L.W., and Sawchenko, P.E. (1983). Hypothalamic integration: 

12 

organization of the paraventricular and supraoptic nuclei. Annu. Rev. Neurosci. 

6

13 

269–324. 

14 

67.  Ludwig, M. (1998). Dendritic release of vasopressin and oxytocin. J. 

15 

Neuroendocrinol. 

10

, 881–895. 

16 

68.  Gimpl, G., and Fahrenholz, F. (2001). The oxytocin receptor system: structure, 

17 

function, and regulation. Physiol. Rev. 

81

, 629–683. 

18 

69.  Tervo, D.G.R., Hwang, B.Y., Viswanathan, S., Gaj, T., Lavzin, M., Ritola, K.D., 

19 

Lindo, S., Michael, S., Kuleshova, E., Ojala, D., et al. (2016). A Designer AAV 

20 

Variant Permits Efficient Retrograde Access to Projection Neurons. Neuron 

92

21 

372–382. 

22 

70.  Challis, R.C., Ravindra Kumar, S., Chan, K.Y., Challis, C., Beadle, K., Jang, M.J., 

23 

Kim, H.M., Rajendran, P.S., Tompkins, J.D., Shivkumar, K., et al. (2019). Systemic 

24 

AAV vectors for widespread and targeted gene delivery in rodents. Nat. Protoc. 

14

25 

379–414. 

26 

71.  Loew, R., Heinz, N., Hampf, M., Bujard, H., and Gossen, M. (2010). Improved 

27 

Tet-responsive promoters with minimized background expression. BMC 

28 

Biotechnol. 

10

, 81. 

29 

72.  Stergachis, A.B., Haugen, E., Shafer, A., Fu, W., Vernot, B., Reynolds, A., 

30 

Raubitschek, A., Ziegler, S., LeProust, E.M., Akey, J.M., et al. (2013). Exonic 

31 

transcription factor binding directs codon choice and affects protein evolution. 

32 

Science 

342

, 1367–1372. 

33 

73.  Davis, M.W., and Jorgensen, E.M. (2022). ApE, A Plasmid Editor: A Freely 

34 

Available DNA Manipulation and Visualization Program. Front Bioinform 

2

35 

818619. 

36 

74.  Lin, R., Wang, R., Yuan, J., Feng, Q., Zhou, Y., Zeng, S., Ren, M., Jiang, S., Ni, H., 

37 

Zhou, C., et al. (2018). Cell-type-specific and projection-specific brain-wide 

38 

reconstruction of single neurons. Nat. Methods 

15

, 1033–1036. 

39 

75.  Niu, M., Kasai, A., Tanuma, M., Seiriki, K., Igarashi, H., Kuwaki, T., Nagayasu, 

40 

K., Miyaji, K., Ueno, H., Tanabe, W., et al. (2022). Claustrum mediates 

41 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

35 

bidirectional and reversible control of stress-induced anxiety responses. Sci Adv 

8

eabi6375. 

76.  Marshel, J.H., Kim, Y.S., Machado, T.A., Quirin, S., Benson, B., Kadmon, J., Raja, 

C., Chibukhchyan, A., Ramakrishnan, C., Inoue, M., et al. (2019). Cortical layer-

specific critical dynamics triggering perception. Science 

365

10.1126/science.aaw5202. 

77.  Hirato, Y., Seiriki, K., Kojima, L., Yamada, S., Rokujo, H., Takemoto, T., 

Nakazawa, T., Kasai, A., and Hashimoto, H. (2024). Clozapine Induces Neuronal 

Activation in the Medial Prefrontal Cortex in a Projection Target-Biased Manner. 

Biol. Pharm. Bull. 

47

, 478–485. 

10 

78.  Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., 

11 

Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., et al. (2012). Fiji: An open-

12 

source platform for biological-image analysis. Nat. Methods 

9

, 676–682. 

13 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

#2

polyA

mOXTp-1.0 kb

ITR

ITR

mNeonGreen

WPRE

Viral constructs

#1

#3

polyA

mOXTp-1.0 kb

ITR

ITR

mNeonGreen

WP

RE

#4

TAREGET-

OXT

#8

polyA

ITR

ITR

tTA

WPRE 

polyA

TRE

ITR

mNeonGreen

ITR

mOXTp-1.0 kb

WP

RE

#5

#6

#7

mNG(+) 

∩ 

anti-NP1(+) 

anti-NP1(+) 

(%)

mNG(+) 

∩ 

anti-NP1(+) 

mNG(+) 

(%)

 Labeling efficiency in the targeted cell type

AAV9 Injection

1

×

109 vg  per injection site

Perfusion

14 days

~~

Sectioning

and

IHC

2–7  days

10–20 serial slices (25 μm)

Anti-NP1 or AVP

A

Figure 1. Optimization of the expression control system and regulatory component in recombinant 

AAV genomes using OXT promoter. 

D

C

B

C57B6 mice (wild-type)

PVH

**

**

**

**

**

*

**

**

**

*

*

*

mNeonGreen

Anti-NP1

Overlay

polyA

ITR

ITR

tTA

WPRE 

polyA

TRE

ITR

mNeonGreen

ITR

mOXTp-1.0 kb

polyA

ITR

ITR

tTA

WPRE 

polyA

TRE

ITR

mNeonGreen

ITR

WPRE

mOXTp-1.0 kb

polyA

mOXTp-1.0 kb

ITR

ITR

tTA

polyA

ITR

ITR

WPRE

TRE

mNeonGreen

polyA

ITR

ITR

polyA

ITR

ITR

TRE

mNeonGreen

mOXTp-1.0 kb

tTA

polyA

ITR

ITR

mOXTp-1.0 kb

mNeonGreen

0

20

40

60

80

100

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

0

20

40

60

80

100

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

Not detected

Not detected

Not detected

Not detected

 Cell-type specificity

Not detected

Not detected

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

A

Figure 2. AAV TAREGET allows specific gene expression in OXT neurons but requires optimization 

of promoter activity. 

WPRE 

polyA

TRE

  ITR

mNeonGreen

  ITR

polyA 

  ITR

  ITR

tTA

mOXTp 1.0 kb

WP

RE

polyA 

  ITR

  ITR

tTA

WP

RE

mOXTp 2.6 kb

Anti-NP1

mNeonGreen

Overlay

1

.0

 k

b

2

.6

 k

b

Anti-AVP

mNeonGreen

Overlay

1

.0

 k

b

2

.6

 k

b

B

D

C

m

N

G

(+

 

a

n

ti

-A

V

P

(+

m

N

G

(+

(%

)

E

m

N

G

(+

 

a

n

ti

-N

P

1

(+

m

N

G

(+

(%

)

****

 20

 0

1.0 kb

2.6 kb

 40

 60

  80

 100

***

1.0 kb

2.6 kb

 5

 0

10

 15

  25

  20

 30

 tTA driver AAVs

 OR

Reporter AAV

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

A

Figure 3. TAREGET strategy has greater suitability for the Tet-Off system compared to the Cre-lox 

expression system in OXT neurons.

WPRE 

polyA

  ITR

EF1α p

  ITR

polyA 

  ITR

  ITR

mOXTp 1.0 kb

WP

RE

 iCre

polyA 

  ITR

  ITR

mOXTp 1.0 kb

WP

RE

 Destabilized iCre

(diCre)

Anti-NP1

mNeonGreen

Overlay

 i

C

re

d

iC

re

Anti-AVP

mNeonGreen

Overlay

iC

re

d

iC

re

B

D

C

m

N

G

(+

 

a

n

ti

-A

V

P

(+

m

N

G

(+

(%

)

E

m

N

G

(+

 

a

n

ti

-N

P

1

(+

m

N

G

(+

(%

)

****

****

***

 20

 0

iCre diCre  tTA

 40

 60

  80

 100

***

***

 n.s.

 0

 2

 4

 6

 8

iCre diCre  tTA

 Cre driver AAVs

 OR

Reporter AAV

mN

eo

nG

re

en

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

A

B

D

C

E

F

G

Figure  4. AAV  TAREGET-OXT  allows  robust  reporter  gene  expression  to  visualize  axonal  fibers 

throughout the whole brain in wild-type mice.

pal-mScarlet

Anti-NP1

Overlay

200 µm

 20

 0

  14

   21

 40

 60

  80

 100

 20

 0

  14

   21

 40

 60

  80

 100

 Days after viral injection

 Days after viral injection

 tTA driver AAV

Reporter AAV

WPRE 

polyA

TRE

  ITR

 pal-mScarlet

  ITR

polyA 

  ITR

  ITR

tTA

mOXTp 1.0 kb

WP

RE

C57BL/6 mice (wild-type)

PVH

AAV9 Injection

3

×

109 vg  per injection site

Perfusion

14 or 21 days

Imaging by FAST

2–7  days

Post-hoc

IHC

200–250  slices (50 μm)

Anti-NP1

Overnight

~~

VTA, SN

PVT

ACB

NTS, DMX

LC, PBN

DRN, PAG

PVH

A

L

3D-Rendering

A

V

m

S

c

a

rl

e

t(

+

)

a

n

ti

-N

P

1

(+

)

/

m

S

c

a

rl

e

t(

+

(%

)

m

S

c

a

rl

e

t(

+

)

a

n

ti

-N

P

1

(+

)

/

a

n

ti

-N

P

1

(+

(%

)

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

A

B

D

Figure 5. Application of the TAREGET strategy for labeling other cell types. 

 tTA driver : reporter 

VTA

 IW-TH-mNG

 TH-mNG-W

 TAREGET-TH

ITR

WPRE

polyA

TRE

ITR

mNeonGreen

ITR

WP

RE

polyA

ITR

tTA

mTHp-2.6 kb

mNG(+) 

∩ 

anti-TH(+) 

anti-TH(+) 

(%)

mNG(+) 

∩ 

anti-TH(+) 

mNG(+) 

(%)

Anti-TH

mNeonGreen

Overlay

1

0

8

v

g

1

0

9

v

g

1

0

8

 v

g

 :

 1

0

8

 v

g

1

0

9

 v

g

 :

 1

0

9

v

g

T

H

-m

N

G

-W

T

H

-m

N

G

-W

T

H

-m

N

G

-W

T

A

R

E

G

E

T

-T

H

T

A

R

E

G

E

T

-T

H

T

A

R

E

G

E

T

-T

H

1

0

8

v

g

1

0

9

v

g

 I

W

-T

H

-m

N

G

 I

W

-T

H

-m

N

G

 I

W

-T

H

-m

N

G

polyA

ITR

ITR

mNeonGreen

WPRE

mTHp-2.6 kb

polyA

ITR

ITR

mNeonGreen

WP

RE

mTHp-2.6 kb

Viral constructs

 Injected titer

C57BL/6 mice

  10

8

 vg or 10

9

 vg

  10

8

 vg or 10

9

 vg

 10

8

 vg : 10

8

 vg

or

10

9

 vg : 10

9

 vg

0

20

40

60

80

100

10

8

 vg

10

8

 vg

10

8

 vg

10

8

 vg

10

8

 vg

10

8

 vg

10

9

 vg

10

9

 vg

10

9

 vg

10

9

 vg

10

9

 vg

10

9

 vg

0

20

40

60

80

100

 Cell-type specificity

 Labeling efficiency in the targeted cell type

Not detected

Not detected

C

**

*

**

**

**

**

**

**

**

**

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

0

20

40

60

80

100

120

****

****

****

A

B

Figure  6.  Application  of  the  TAREGET  system  for  cell-type-specific  CRISPR-mediated  gene 

knockdown. 

VTA

 TAREGET-TH tTA only

 CMV-saCa9-U6-sgNeuN (sgRbfox3)

 TAREGET-TH::saCas9-U6-sgNeuN (sgRbfox3)

ITR

WP

RE

polyA

ITR

tTA

mTHp-2.6 kb

ITR

WP

RE

polyA

ITR

tTA

mTHp-2.6 kb

polyA

polyA

TRE

 CMV

U6

U6

 sgRNA

 sgRNA

ITR

ITR

saCas9-HA×3

saCas9-HA×3

ITR

ITR

Viral constructs

 Injected titer

C57BL/6 mice

  5 × 10

8

 vg

  5 × 10

8

 vg

  5 × 10

8

 vg

:5 × 10

8

 vg

C

E

D

CGCCTCAGAATGGAATCCCAG

CT

G

AA

T

PAM

 (

NN

G

RR

T)

 Guide sequence

in mouse 

Rbfox3 

exon 5

Anti-TH

Anti-HA

Anti-NeuN

Overlay

T

A

R

E

G

E

T

 t

T

A

 o

n

ly

C

M

V

-s

a

C

a

s9

T

A

R

E

G

E

T

-T

H

::

s

a

C

a

s

9

0

20

40

60

80

100

****

tT

A

 o

nl

y

C

M

V

-s

aC

as9

TA

R

E

G

E

T-

TH

::s

aC

as

9

tT

A

 o

nl

y

C

M

V

-s

aC

as9

TA

R

E

G

E

T-

TH

::s

aC

as

9

0

20

40

60

80

100

n.s.

tT

A

 o

nl

y

C

M

V

-s

aC

as9

TA

R

E

G

E

T-

TH

::s

aC

as

9

H

A

(+

 

T

H

(+

H

A

(+

(%

)

H

A

(+

 

T

H

(+

T

H

(+

(%

)

N

e

u

N

-i

m

m

u

n

o

fl

u

o

re

s

c

e

n

c

e

 i

n

te

n

s

it

y

 i

n

 T

H

(+

c

e

ll

s

 (

%

 r

e

la

ti

e

v

e

 t

o

 t

T

A

 o

n

ly

)

NeuN konckdown

 Cell-type specificity

 Labeling efficiency 

N

o

d

e

te

c

te

d

N

o

d

e

te

c

te

d

VTA

SNC

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

Highlights 

 

AAV expression cassettes were optimized for cell-type specificity and efficiency. 

 

The Tet-Off system is more suitable for the optimized AAV than Cre recombinase. 

 

The optimized AAV system was applied to brain-wide axonal labeling and genome 

editing. 

 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

 

KEY RESOURCES TABLE 

 

Key resources table 

REAGENT or RESOURCE 

SOURCE 

IDENTIFIER 

Antibodies 

Anti-Neurophysin 1 Antibody, clone PS 38

 

Merck

 

Cat# MABN844

 

Recombinant Anti-Vasopressin antibody

 

Abcam

 

Cat# ab213708

 

Rabbit Cleaved Caspase-3 (Asp175) Antibody 

Cell Signaling 
Technology 

Cat# 9661S 
RRID:AB_2341188 

Rabbit Anti-Tryptophan Hydroxylase 2 Antibody 

Novus Biologicals 

Cat# NB100-74555, 
RRID:AB_1049988 

Chicken Anti-Tyrosine Hydroxylase Antibody 

Abcam 

Cat# ab76442, 
RRID:AB_1524535 

Mouse Anti-HA-tag mAb 

MBL 

Cat# M180-3 
RRID:AB_10951811 

Rabbit Anti-NeuN antibody 

Abcam 

Cat# ab177487 
RRID:AB_2532109 

Goat Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor® 488) 

Abcam 

Cat# ab150113, 
RRID:AB_2576208 

Goat Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor® 568)

 

Abcam

 

Cat# ab175473, 
RRID:AB 2895153

 

Goat Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor® 568)

 

Abcam

 

Cat# ab175471, 
RRID:AB 2576207

 

Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor® 568) 

Abcam 

Cat# ab175477 
RRID:AB_3076392 

Goat Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor® 647) 

Abcam 

Cat# ab150115 
RRID:AB_2687948 

Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor® 647) 

Abcam 

Cat# ab150171 
RRID:AB_2921318 

Bacterial and virus strains  

DH5α competent cells

 

Takara Bio Inc.

 

Cat# 9057

 

AAV9-mOXTp-1.0 kb-tTA-WPRE-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-mOXTp-1.0 kb-tTA-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-IW-mOXTp-1.0 kb-tTA-pA (TAREGET-OXT)

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-mOXTp-1.0 kb-mNG-WPRE-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-mOXTp-1.0 kb-mNG-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-IW-mOXTp-1.0 kb-mNG-pA 

This paper 

N/A 

AAV9-mTHp-2.6 kb-mNG-WPRE-pA 

This paper 

N/A 

AAV9-IW-mTHp-2.6 kb-mNG-pA 

This paper 

N/A 

AAV9-IW-mTHp-2.6 kb-tTA (TAREGET-TH) 

This paper 

N/A 

AAV9-mTPH2p-2.0 kb-mNG-WPRE-pA 

This paper 

N/A 

AAV9-IW-mTPH2p-2.0 kb-mNG-pA 

This paper 

N/A 

AAV9-IW-mTPH2p-2.0 kb-tTA (TAREGET-TPH2) 

This paper 

N/A 

AAV9-TRE-mNG-WPRE-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-TRE-mNG-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-IW-mOXTp-2.6 kb-tTA-pA

 

This paper

 

N/A

 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

 

AAV9-IW-mOXTp-1.0 kb-iCre-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-IW-mOXTp-1.0 kb-diCre-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-

EF1α

-DIO-mNG-WPRE-pA

 

This paper

 

N/A

 

AAV9-TRE-pal-mScarlet-WPRE-pA 

Hirato et al., 2024 

N/A 

AAV9-CMV-saCas9-pA-U6-sgNeuN(Rbfox3) 

This paper 

N/A 

AAV9-TRE-saCas9-pA-U6-sgNeuN(Rbfox3)

 

This paper

 

N/A

 

Biological samples 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chemicals, peptides, and recombinant proteins 

In-Fusion HD Cloning Kit 

Takara 

Cat# 639650 

DNA Ligation Kit 

Takara 

Cat# 6023 

Phusion High-Fidelity DNA polymerase 

Thermo Fisher 

F530L 

PEI MAX 

Polyscience Inc. 

Cat# 24765 

DMEM, high glucose, GlutaMAX™ Supplement

 

Thermo Fisher 

Cat # 10566024 

Benzonase® Nuclease 

Millipore 

Cat# E1014-25KU 

 

 

 

 

 

 

Critical commercial assays 

GoTaq® qPCR Master Mix

 

Promega

 

Cat# A6001/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Deposited data

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Experimental models: Cell lines 

Lenti-

X™ 293T cell 

line

 

Clontech

 

Cat# 632180

 

Experimental models: Organisms/strains 

C57BL/6NCrSlc 

Japan SLC,Inc. 

MGI: 5295404 

C57BL/6JJmsSlc

 

Japan SLC,Inc.

 

MGI: 5488963

 

 

 

 

Oligonucleotides 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Recombinant DNA 

pAAV-mOXTp-1.0 kb-tTA-WPRE-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-mOXTp-1.0 kb-tTA-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-IW-mOXTp-1.0 kb-tTA-pA (TAREGET-OXT)

 

This paper

 

N/A

 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

 

pAAV-mOXTp-1.0 kb-mNG-WPRE-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-mOXTp-1.0 kb-mNG-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-IWmOXTp-1.0 kb-mNG-pA 

This paper 

N/A 

pAAV-mTHp-2.6 kb-mNG-WPRE-pA 

This paper 

N/A 

pAAV-IW-mTHp-2.6 kb-mNG-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-IW-mTHp-2.6 kb-tTA (TAREGET-TH) 

This paper 

N/A 

pAAV-mTPH2p-2.0 kb-mNG-WPRE-pA 

This paper 

N/A 

pAAV-IW-mTPH2p-2.0 kb-mNG-pA 

This paper 

N/A 

pAAV-IW-mTPH2p-2.0 kb-tTA (TAREGET-TPH2)

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-TRE-mNG-WPRE-pA

 

Chan KY et al., 2017

 

Addgene, #99131 
RRID: 
Addgene_99131

 

pAAV-TRE-mNG-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-IW-mOXTp-2.6 kb-tTA-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-IW-mOXTp-1.0 kb-iCre-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-IW-mOXTp-1.0 kb-diCre-pA

 

This paper

 

N/A

 

pAAV-

EF1α

-DIO-mNG-WPRE-pA 

This paper 

N/A 

pAAV-TRE-pal-mScarlet-WPRE-pA 

Hirato et al., 2024 

N/A 

pAAV-CMV-saCas9-pA-U6-BsaI-sgRNA 

https://www.addgene
.org/61591/

  

Addgene, #61591 
RRID:Addgene_6159

pAAV-CMV-saCas9-pA-U6-sgNeuN(Rbfox3) 

This paper 

N/A 

pAAV-TRE-saCas9-pA-U6-sgNeuN(Rbfox3) 

This paper 

N/A 

pAAV-mOXT-hM3Dq-mCherry 

Peñagarikano O et al., 
2015 

Addgene, #70717 
RRID: 
Addgene_70717 

pAAV-TRE-DIO-FlpO 

Lin R et al., 2018 

Addgene, #118027 
RRID: 
Addgene_118027 

pAAV-EF1-DIO-hM3Dq-mCherry 

https://www.addgene
.org/50460/

  

Addgene, #50460 
RRID: 
Addgene_50460 

pAAV-CAG-fDIO-mNeonGreen 

Chan KY et al. 2017 

Addgene, # 99133 
RRID: 
Addgene_99133 

pAAV-CaMKIIa-mScarlet 

Marshel JH et al., 2019  Addgene, #131000 

RRID: 
Addgene_131000 

pHelper-AAV 

Cell Biolabs 

Part# 340202 in Cat# 
VPK-400-DJ 

pAAV2/9n 

https://www.addgene
.org/112865/ 

Addgene, #112865 
RRID: 
Addgene_112865 

 

 

 

Software and algorithms 

Fiji for Windows

 

Schindelin et al., 2012 

RRID: SCR_002285 

https://fiji.sc/ 

Journal Pre-proof

PIIS2589004224011003-html.html
background image

 

 

R v.4.2.2. 

R project 

https://www.r-
project.org/

  

Rstudio Desktop 

Rstudio 

RStudio Desktop - 
Posit

 

ApE (A plasmid Editor)

 

Davis et al., 2022 

RRID: SCR_014266 

https://jorgensen.bi
ology.utah.edu/way
ned/ape/

 

Imaris 

BitPlane 

N/A 

FASTicher (whole-brain image stitching pipeline) 

Seiriki et al., 2019 

N/A 

 

 

 

Other 

 

 

Microinjection Syringe Pump with Smartouch Controller 

WPI 

UMP3T-1 

Neuros Syringe 

HAMILTON 

Cat# 65460-05 
Cat# 65460-06 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Journal Pre-proof