Abstract Cells and tissues are made out of nanoscale building blocks, such as proteins, organized in crowded nanostructures. We show that many biomolecules, and the nanostructures in which they are embedded, may be invisible to prior imaging techniques, due to the inaccessibility of labels (e.g., antibodies) to biomolecules embedded within such crowded structures. We developed a technology, expansion revealing (ExR), which isotropically decrowds proteins from each other, to enable their labeling. We use ExR to discover the alignment of presynaptic calcium channels with postsynaptic machinery in intact brain circuits, as well as the existence of periodic amyloid nanoclusters containing ion channel proteins in Alzheimer’s model mice. Thus, ExR reveals nanostructures within complex biological specimens that were not previously visualizable, and may find broad use in biology. One Sentence Summary De-crowding biomolecules with Expansion Revealing unmasks fundamentally new nanostructures in intact brain tissue, which remained invisible otherwise.

Summary Action potentials trigger neurotransmitter release with minimal delay. Active zones mediate this temporal precision by co-organizing primed vesicles with Ca V 2 Ca 2+ channels. The presumed model is that scaffolding proteins directly tether primed vesicles to Ca V 2s. We find that Ca V 2 clustering and vesicle priming are executed by separate machineries. At hippocampal synapses, Ca V 2 nanoclusters are positioned at variable distances from those of the priming protein Munc13. The active zone organizer RIM anchors both proteins, but distinct interaction motifs independently execute these functions. In heterologous cells, Liprin-α and RIM from co- assemblies that are separate from Ca V 2-organizing complexes upon co-transfection. At synapses, Liprin-α1-4 knockout impairs vesicle priming, but not Ca V 2 clustering. The cell adhesion protein PTPσ recruits Liprin-α, RIM and Munc13 into priming complexes without co- clustering of Ca V 2s. We conclude that active zones consist of distinct complexes to organize Ca V 2s and vesicle priming, and Liprin-α and PTPσ specifically support priming site assembly.

ABSTRACT Tight coordination of the spatial relationships between protein complexes is required for cellular function. In neuronal synapses, many proteins responsible for neurotransmission organize into subsynaptic nanoclusters whose trans-cellular alignment modulates synaptic signal propagation. However, the spatial relationships between these proteins and NMDA receptors (NMDARs), which are required for learning and memory, remain undefined. Here, we mapped the relationship of key NMDAR subunits to reference proteins in the active zone and postsynaptic density using multiplexed super-resolution DNA-PAINT microscopy. GluN2A and GluN2B subunits formed nanoclusters with diverse configurations that, surprisingly, were not localized near presynaptic vesicle release sites marked by Munc13-1. However, a subset of presynaptic sites was configured to maintain NMDAR activation: these were internally denser, aligned with abundant PSD-95, and associated closely with specific NMDAR nanodomains. This work reveals a new principle regulating NMDAR signaling and suggests that synaptic functional architecture depends on assembly of multiprotein nanodomains whose interior construction is conditional on trans-cellular relationships.

Nanoscale protein organization within the active zone (AZ) and post-synaptic density (PSD) influences synaptic transmission. Nanoclusters of presynaptic Munc13-1 are associated with readily releasable pool size and neurotransmitter vesicle priming, while postsynaptic PSD-95 nanoclusters coordinate glutamate receptors across from release sites to control their opening probability. Nanocluster number, size, and protein density vary between synapse types and with development and plasticity, supporting a wide range of functional states at the synapse. Whether or how the receptors themselves control this critical architecture remains unclear. One prominent PSD molecular complex is the NMDA receptor (NMDAR). NMDARs coordinate several modes of signaling within synapses, giving them the potential to influence synaptic organization through direct protein interactions or through signaling. We found that loss of NMDARs results in larger synapses that contain smaller, denser, and more numerous PSD-95 nanoclusters. Intriguingly, NMDAR loss also generates retrograde reorganization of the active zone, resulting in denser, more numerous Munc13-1 nanoclusters, more of which are aligned with PSD-95 nanoclusters. Together, these changes to synaptic nanostructure predict stronger AMPA receptor-mediated transmission in the absence of NMDARs. Notably, while prolonged antagonism of NMDAR activity increases Munc13-1 density within nanoclusters, it does not fully recapitulate these trans-synaptic effects. Thus, our results confirm that NMDARs play an important role in maintaining pre- and postsynaptic nanostructure and suggest that both decreased NMDAR expression and suppressed NMDAR activity may exert distinct effects on synaptic function, yet through unique architectural mechanisms.

Abstract Recent evidence suggests that nanoorganization of proteins within synapses may control the strength of communication between neurons in the brain. The unique subsynaptic distribution of glutamate receptors, which cluster in nanoalignment with presynaptic sites of glutamate release, supports this idea. However, testing it has been difficult because mechanisms controlling subsynaptic organization remain unknown. Reasoning that transcellular interactions could position AMPA receptors, we targeted a key transsynaptic adhesion molecule implicated in controlling AMPAR number, LRRTM2, using engineered, rapid proteolysis. Severing the LRRTM2 extracellular domain led quickly to nanoscale de-clustering of AMPARs away from release sites, not prompting their escape from synapses until much later. This rapid remodeling of AMPAR position produced significant deficits in evoked, but not spontaneous, postsynaptic receptor activation. These results dissociate receptor numbers from their nanopositioning in determination of synaptic function, and support the novel concept that adhesion molecules acutely position AMPA receptors to dynamically control synaptic strength.

The cell adhesion molecule LRRTM2 is crucial for synapse development and function. However, our understanding of its endogenous trafficking has been limited due to difficulties in manipulating its coding sequence (CDS) using standard genome editing techniques. We instead replaced the whole LRRTM2 CDS by adapting the recent CRISPR method Targeted Knock-in using Two Guides (TKIT), enabling complete control of LRRTM2. In primary rat hippocampal cultures, N-terminally tagged, endogenous LRRTM2 was found in 80% of synapses, and synaptic LRRTM2 content correlated with PSD-95 and AMPAR levels. LRRTM2 was also enriched with AMPARs outside synapses, demonstrating the sensitivity of this method to detect relevant new biology. Finally, we leveraged total genomic control to increase synaptic levels of LRRTM2 via simultaneous mutation of its C-terminal domain, which did not correspondingly increase AMPAR enrichment. The coding region of thousands of genes span lengths suitable for whole-CDS replacement, suggesting this simple approach will enable straightforward structure-function analysis in diverse cellular systems.

The MAGUK family of scaffold proteins plays a central role in maintaining and modulating synaptic signaling, providing a framework to retain and position receptors, signaling molecules, and other synaptic components. Of these scaffold proteins, SAP102 and PSD-95 are essential for synaptic function at distinct developmental timepoints and perform overlapping as well as unique roles. While their similar structures allow for common binding partners, SAP102 is expressed earlier in synapse development and is required for synaptogenesis, whereas PSD-95 expression peaks later in development and is associated with synapse maturation. PSD-95 and other key synaptic proteins organize into subsynaptic nanodomains that have a significant impact on synaptic transmission, but the nanoscale organization of SAP102 is unknown. How SAP102 is organized within the synapse, and how it relates spatially to PSD-95 on a nanometer scale, could impact how SAP102 clusters synaptic proteins and underlie its ability to perform its unique functions. Here we used DNA-PAINT super-resolution microscopy to measure SAP102 nano-organization and its spatial relationship to PSD-95 at individual synapses. We found that like PSD-95, SAP102 accumulates in high-density subsynaptic nanoclusters. However, SAP102 nanoclusters were smaller and denser than PSD-95 nanoclusters across development. Additionally, only a subset of SAP102 nanoclusters co-organized with PSD-95, revealing that within individual synapses there are nanodomains that contain either one or both proteins. This organization into both shared and distinct subsynaptic nanodomains may underlie the ability of SAP102 and PSD-95 to perform both common and unique synaptic functions.

A key feature of excitatory synapses is the existence of subsynaptic protein nanoclusters whose precise alignment across the cleft in a trans-synaptic nanocolumn influences the strength of synaptic transmission. However, whether nanocolumn properties vary between excitatory synapses functioning in different cellular contexts is unknown. We used a combination of confocal and DNA-PAINT super-resolution microscopy to directly compare the organization of shared scaffold proteins at two important excitatory synapses - those forming onto excitatory principal neurons (Ex→Ex synapses) and those forming onto parvalbumin-expressing interneurons (Ex→PV synapses). As in Ex→Ex synapses, we find that in Ex→PV synapses presynaptic Munc13-1 and postsynaptic PSD-95 both form nanoclusters that demonstrate alignment, underscoring synaptic nanostructure and the trans-synaptic nanocolumn as conserved organizational principles of excitatory synapses. Despite the general conservation of these features, we observed specific differences in the characteristics of pre- and postsynaptic Ex→PV nanostructure. Ex→PV synapses contained larger PSDs with fewer PSD-95 NCs when accounting for size than Ex→Ex synapses. Furthermore, the PSD-95 NCs were larger and denser. The identity of the postsynaptic cell also had a retrograde impact on Munc13-1 organization, as Ex→PV synapses hosted larger Munc13-1 puncta that contained less dense but larger and more numerous Munc13-1 NCs. Moreover, we measured the spatial variability of trans- synaptic alignment in these synapse types, revealing protein alignment in Ex→PV synapses over a distinct range of distances compared to Ex→Ex synapses. We conclude that while general principles of nanostructure and alignment are shared, cell-specific elements of nanodomain organization likely contribute to functional diversity of excitatory synapses. Understanding the rules of synapse nanodomain assembly, which themselves are cell-type specific, will be essential for illuminating brain network dynamics.

Nanoscale distribution of proteins and their relative positioning within a defined subcellular region are key to their physiological functions. Thanks to the super-resolution imaging methods, especially the single-molecule localization microscopy (SMLM), mapping the three-dimensional distribution of multiple proteins has been easier and more efficient than ever. In spite of the many tools available for efficient localization detection and image rendering, it has been a challenge to quantitatively analyze the 3D distribution and relative positioning of proteins in these SMLM data. Here, using the heterogeneously distributed synaptic proteins as examples, we describe in detail a series of analytical methods including detection of nanoscale density clusters, quantification of the trans-synaptic alignment between these protein densities, and automatic enface projection and averaging. These analyses were performed within customized Matlab routines and we make the full scripts available. The concepts behind these analytical methods and the scripts can be adapted for quantitative analysis of spatial organization of other macromolecular complexes.

NMDA receptor (NMDAR) activation is critical for maintenance and modification of synapse strength. Specifically, NMDAR activation by spontaneous glutamate release has been shown to mediate forms of synaptic plasticity as well as synaptic development. Interestingly, there is evidence that within individual synapses each release mode may be segregated such that postsynaptically there are distinct pools of responsive receptors. In order to examine potential regulators of NMDAR activation due to spontaneous glutamate release in cultured rat hippocampal neurons, we utilized GCaMP6f imaging at single synapses in concert with confocal and super-resolution imaging. Using these single spine approaches, we found that Ca2+ entry activated by spontaneous release tends to be carried by GluN2B-NMDARs. Additionally, the amount of NMDAR activation varies greatly both between synapses and within synapses, and is unrelated to spine and synapse size, but does correlate loosely with synapse distance from the soma. Despite the critical role of spontaneous activation of NMDARs in maintaining synaptic function, their activation seems to be controlled factors other than synapse size or synapse distance from the soma. It is most likely that NMDAR activation by spontaneous release influenced variability in subsynaptic receptor position, release site position, vesicle content, and channel properties. Therefore, spontaneous activation of NMDARs appears to be regulated distinctly from other receptor types, notably AMPARs, within individual synapses.