Abstract The localization and translation of mRNAs to dendrites and axons maintains and modifies the local proteome of neurons, and is essential for synaptic plasticity. Although significant efforts have allowed the identification of localized mRNAs in excitatory neurons, it is still unclear whether interneurons also localize a large population of mRNAs. In addition, the variability in the population of localized mRNAs within and between cell-types is unknown. Here we developed a method for the transcriptomic characterization of a single neuron’s subcellular compartments, which combines laser capture microdissection with scRNA-seq. This allowed us to separately profile the dendritic and somatic transcriptomes of individual rat hippocampal neurons and investigate the relation in mRNA abundances between the soma and dendrites of single glutamatergic and GABAergic neurons. We identified two types of glutamatergic and three types of GABAergic interneurons and we found that, like their excitatory counterparts, interneurons contain a rich repertoire of ~4000 mRNAs. The individual somatic transcriptomes exhibited more cell type-specific features than their associated dendritic transcriptomes. The detection and abundance of dendritic mRNAs was not always simply predicted by their somatic counterparts. Finally, using cell-type specific metabolic labelling of isolated neurites, we demonstrated that the processes not only of Glutamatergic but also of GABAergic neurons are capable of local translation, suggesting mRNA localization and local translation is a general property of neurons.

Abstract Brain function relies on communication via neuronal synapses. Neurons build and diversify synaptic contacts using different protein combinations that define the specificity, function and plasticity potential of synapses. More than a thousand proteins have been globally identified in both pre- and postsynaptic compartments, providing substantial potential for synaptic diversity. While there is ample evidence of diverse synaptic structures, states or functional properties, the diversity of the underlying individual synaptic proteomes remains largely unexplored. Here we used 7 different Cre-driver mouse lines crossed with a floxed mouse line in which the presynaptic terminals were fluorescently labeled (SypTOM) to identify the proteomes that underlie synaptic diversity. We combined microdissection of 5 different brain regions with fluorescent-activated synaptosome sorting to isolate and analyze using quantitative mass spectrometry 18 types of synapses and their underlying synaptic proteomes. We discovered ~1’800 unique synapse type-enriched proteins and allocated thousands of proteins to different types of synapses. We identify commonly shared synaptic protein modules and highlight the hotspots for proteome specialization. A protein-protein correlation network classifies proteins into modules and their association with synaptic traits reveals synaptic protein communities that correlate with either neurotransmitter glutamate or GABA. Finally, we reveal specializations and commonalities of the striatal dopaminergic proteome and outline the proteome diversity of synapses formed by parvalbumin, somatostatin and vasoactive intestinal peptide-expressing cortical interneuron subtypes, highlighting proteome signatures that relate to their functional properties. This study opens the door for molecular systems-biology analysis of synapses and provides a framework to integrate proteomic information for synapse subtypes of interest with cellular or circuit-level experiments.

All cells, including neurons, have regulatory feedback mechanisms that couple protein synthesis and degradation to maintain and optimize protein concentrations in the face of intra- and extracellular perturbations. We examined the feedback between the major protein degradation pathway, the ubiquitin-proteasome system (UPS), and protein synthesis in neurons. When protein degradation by the UPS was inhibited we observed a coordinate dramatic reduction in nascent protein synthesis in both neuronal cell bodies and dendrites. The mechanism for translation inhibition involved the phosphorylation of eIF2a, surprisingly mediated by eIF2a kinase 1, or heme-regulated kinase inhibitor (HRI), known for its sensitivity to heme levels in erythrocyte precursors (Han et al., 2001). Under basal conditions, neuronal expression of HRI is barely detectable. Following proteasome inhibition, HRI protein levels increase owing to stabilization of the short-lived HRI protein and enhanced translation via the increased availability of tRNAs for rare codons. Once expressed, HRI is constitutively active in neurons because endogenous heme levels are so low; HRI activity results in eIF2a phosphorylation and the resulting inhibition of translation. These data demonstrate a novel role for HRI in neurons, acting as an -immediate early protein- that senses and responds to compromised function of the proteasome to restore proteostasis.