Abstract

 To move forward, migrating cells must generate traction forces through surface receptors bound to extracellular matrix molecules coupled to a rigid structure. We investigated whether cells sample and respond to the rigidity of the anchoring matrix. Movement of beads coated with fibronectin or an anti-integrin antibody was restrained with an optical trap on fibroblasts to mimic extracellular attachment sites of different resistance. Cells precisely sense the restraining force on fibronectin beads and respond by a localized, proportional strengthening of the cytoskeleton linkages, allowing stronger force to be exerted on the integrins. This strengthening was absent or transient with antibody beads, but restored with soluble fibronectin. Hence, ligand binding site occupancy was required. Finally, phenylarsine oxide inhibited strengthening of cytoskeletal linkages, indicating a role for dephosphorylation. Thus, the strength of integrin–cytoskeleton linkages is dependent on matrix rigidity and on its biochemical composition. Matrix rigidity may, therefore, serve as a guidance cue in a process of mechanotaxis.

Accumulation of AMPA receptors at synapses is a fundamental feature of glutamatergic synaptic transmission. Stargazin, a member of the TARP family, is an AMPAR auxiliary subunit allowing interaction of the receptor with scaffold proteins of the postsynaptic density, such as PSD-95. How PSD-95 and Stargazin regulate AMPAR number in synaptic membranes remains elusive. We show, using single quantum dot and FRAP imaging in live hippocampal neurons, that exchange of AMPAR by lateral diffusion between extrasynaptic and synaptic sites mostly depends on the interaction of Stargazin with PSD-95 and not upon the GluR2 AMPAR subunit C terminus. Disruption of interactions between Stargazin and PSD-95 strongly increases AMPAR surface diffusion, preventing AMPAR accumulation at postsynaptic sites. Furthermore, AMPARs and Stargazin diffuse as complexes in and out synapses. These results propose a model in which the Stargazin-PSD-95 interaction plays a key role to trap and transiently stabilize diffusing AMPARs in the postsynaptic density.

The spatiotemporal organization of neurotransmitter receptors in postsynaptic membranes is a fundamental determinant of synaptic transmission and information processing by the brain. Using four independent super-resolution light imaging methods and EM of genetically tagged and endogenous receptors, we show that, in rat hippocampal neurons, AMPARs are often highly concentrated inside synapses into a few clusters of ∼70 nm that contain ∼20 receptors. AMPARs are stabilized reversibly in these nanodomains and diffuse freely outside them. Nanodomains are dynamic in their shape and position within synapses and can form or disappear within minutes, although they are mostly stable for up to 1 h. AMPAR nanodomains are often, but not systematically, colocalized with clusters of the scaffold protein PSD95, which are generally of larger size than AMPAR nanoclusters. PSD95 expression level regulates AMPAR nanodomain size and compactness in parallel to miniature EPSC amplitude. Monte Carlo simulations further indicate the impact of AMPAR concentration in clusters on the efficacy of synaptic transmission. The observation that AMPARs are highly concentrated in nanodomains, instead of diffusively distributed in the PSD as generally thought, has important consequences on our understanding of excitatory neurotransmission. Furthermore, our results indicate that glutamatergic synaptic transmission is controlled by the nanometer-scale regulation of the size of these highly concentrated nanodomains.

AMPA glutamate receptors (AMPARs) mediate fast excitatory synaptic transmission. Upon fast consecutive synaptic stimulation, transmission can be depressed. Recuperation from fast synaptic depression has been attributed solely to recovery of transmitter release and/or AMPAR desensitization. We show that AMPAR lateral diffusion, observed in both intact hippocampi and cultured neurons, allows fast exchange of desensitized receptors with naïve functional ones within or near the postsynaptic density. Recovery from depression in the tens of millisecond time range can be explained in part by this fast receptor exchange. Preventing AMPAR surface movements through cross-linking, endogenous clustering, or calcium rise all slow recovery from depression. Physiological regulation of postsynaptic receptor mobility affects the fidelity of synaptic transmission by shaping the frequency dependence of synaptic responses.

B lymphocytes and macrophages express closely related immunoglobulin G (IgG) Fc receptors (Fc gamma RII) that differ only in the structures of their cytoplasmic domains. Because of cell type-specific alternative messenger RNA splicing, B-cell Fc gamma RII contains an insertion of 47 amino acids that participates in determining receptor function in these cells. Transfection of an Fc gamma RII-negative B-cell line with complementary DNA's encoding the two splice products and various receptor mutants indicated that the insertion was responsible for preventing both Fc gamma RII-mediated endocytosis and Fc gamma RII-mediated antigen presentation. The insertion was not required for Fc gamma RII to modulate surface immunoglobulin-triggered B-cell activation. Instead, regulation of activation involved a region of the cytoplasmic domain common to both the lymphocyte and macrophage receptor isoforms. In contrast, the insertion did contribute to the formation of caps in response to receptor cross-linking, consistent with suggestions that the lymphocyte but not macrophage form of the receptor can associate with the detergent-insoluble cytoskeleton.

The Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) is critically required for the synaptic recruitment of AMPA-type glutamate receptors (AMPARs) during both development and plasticity. However, the underlying mechanism is unknown. Using single-particle tracking of AMPARs, we show that CaMKII activation and postsynaptic translocation induce the synaptic trapping of AMPARs diffusing in the membrane. AMPAR immobilization requires both phosphorylation of the auxiliary subunit Stargazin and its binding to PDZ domain scaffolds. It does not depend on the PDZ binding domain of GluA1 AMPAR subunit nor its phosphorylation at Ser831. Finally, CaMKII-dependent AMPAR immobilization regulates short-term plasticity. Thus, NMDA-dependent Ca2+ influx in the post-synapse triggers a CaMKII- and Stargazin-dependent decrease in AMPAR diffusional exchange at synapses that controls synaptic function.