Oligodendrocytes secrete vesicles into the extracellular space, where they might play a role in neuron-glia communication. These exosomes are small vesicles with a diameter of 50-100 nm that are formed within multivesicular bodies and are released after fusion with the plasma membrane. The intracellular pathways that generate exosomes are poorly defined. Because Rab family guanosine triphosphatases (GTPases) together with their regulators are important membrane trafficking organizers, we investigated which Rab GTPase-activating proteins interfere with exosome release. We find that TBC1D10A-C regulate exosome secretion in a catalytic activity-dependent manner. We show that Rab35 is the target of TBC1D10A-C and that the inhibition of Rab35 function leads to intracellular accumulation of endosomal vesicles and impairs exosome secretion. Rab35 localizes to the surface of oligodendroglia in a GTP-dependent manner, where it increases the density of vesicles, suggesting a function in docking or tethering. These findings provide a basis for understanding the biogenesis and function of exosomes in the central nervous system.

Synaptic vesicles must be primed to fusion competence before they can fuse with the plasma membrane in response to increased intracellular Ca 2+ levels. The presynaptic active zone protein Munc13-1 is essential for priming of glutamatergic synaptic vesicles in hippocampal neurons. However, a small subpopulation of synapses in any given glutamatergic nerve cell as well as all γ-aminobutyratergic (GABAergic) synapses are largely independent of Munc13-1. We show here that Munc13-2, the only Munc13 isoform coexpressed with Munc13-1 in hippocampus, is responsible for vesicle priming in Munc13-1 independent hippocampal synapses. Neurons lacking both Munc13-1 and Munc13-2 show neither evoked nor spontaneous release events, yet form normal numbers of synapses with typical ultrastructural features. Thus, the two Munc13 isoforms are completely redundant in GABAergic cells whereas glutamatergic neurons form two types of synapses, one of which is solely Munc13-1 dependent and lacks Munc13-2 whereas the other type employs Munc13-2 as priming factor. We conclude that Munc13-mediated vesicle priming is not a transmitter specific phenomenon but rather a general and essential feature of multiple fast neurotransmitter systems, and that synaptogenesis during development is not dependent on synaptic secretory activity.

The type of vesicular transporter expressed by a neuron is thought to determine its neurotransmitter phenotype. We show that inactivation of the vesicular inhibitory amino acid transporter (Viaat, VGAT) leads to embryonic lethality, an abdominal defect known as omphalocele, and a cleft palate. Loss of Viaat causes a drastic reduction of neurotransmitter release in both GABAergic and glycinergic neurons, indicating that glycinergic neurons do not express a separate vesicular glycine transporter. This loss of GABAergic and glycinergic synaptic transmission does not impair the development of inhibitory synapses or the expression of KCC2, the K+ -Cl- cotransporter known to be essential for the establishment of inhibitory neurotransmission. In the absence of Viaat, GABA-synthesizing enzymes are partially lost from presynaptic terminals. Since GABA and glycine compete for vesicular uptake, these data point to a close association of Viaat with GABA-synthesizing enzymes as a key factor in specifying GABAergic neuronal phenotypes.

Synaptic vesicle docking, priming, and fusion at active zones are orchestrated by a complex molecular machinery. We employed hippocampal organotypic slice cultures from mice lacking key presynaptic proteins, cryofixation, and three-dimensional electron tomography to study the mechanism of synaptic vesicle docking in the same experimental setting, with high precision, and in a near-native state. We dissected previously indistinguishable, sequential steps in synaptic vesicle active zone recruitment (tethering) and membrane attachment (docking) and found that vesicle docking requires Munc13/CAPS family priming proteins and all three neuronal SNAREs, but not Synaptotagmin-1 or Complexins. Our data indicate that membrane-attached vesicles comprise the readily releasable pool of fusion-competent vesicles and that synaptic vesicle docking, priming, and trans-SNARE complex assembly are the respective morphological, functional, and molecular manifestations of the same process, which operates downstream of vesicle tethering by active zone components.

Summary Dendritic spines are crucial for excitatory synaptic transmission as the size of a spine head correlates with the strength of its synapse. The distribution of spine head sizes follows a lognormal-like distribution with more small spines than large ones. We analysed the impact of synaptic activity and plasticity on the spine size distribution in adult-born hippocampal granule cells from rats with induced homo- and heterosynaptic long-term plasticity in vivo and CA1 pyramidal cells from Munc-13-1-Munc13-2 knockout mice with completely blocked synaptic transmission. Neither induction of extrinsic synaptic plasticity nor the blockage of presynaptic activity degrades the lognormal-like distribution but changes its mean, variance and skewness. The skewed distribution develops early in the life of the neuron. Our findings and their computational modelling support the idea that intrinsic synaptic plasticity is sufficient for the generation, while a combination of intrinsic and extrinsic synaptic plasticity maintains lognormal like distribution of spines.

A bstract The function of GABAergic synapses is critically shaped by cell adhesion proteins that recruit GABA A Rs to synapses and mediate transsynaptic signalling, but the synapse-type-specific function of such synaptic adhesion proteins and their mutual interaction remain incompletely understood. A ubiquitous cell adhesion protein at GABAergic synapses is Neuroligin-2 (Nlgn2), which recruits synaptic GABA A Rs by promoting the assembly of the postsynaptic gephyrin scaffold. While Nlgn2 is present at virtually all GABAergic synapses throughout the forebrain, its loss affects different GABAergic synapse subtypes with different severity, indicating that synapse-specific interactors and synapse-organizer-redundancies define the function of Nlgn2 for a given synapse type. Here we investigated how Nlgn2 function at GABAergic synapses in mouse hippocampal area CA1 is modulated by two recently identified interaction partners, MDGA1 and MDGA2. We show that Nlgn2 and MDGA1 colocalize most prominently in the stratum radiatum (S.R.) of area CA1, and that combined Nlgn2 and MDGA1 deletion causes a layer-specific exacerbation of the loss of gephyrin puncta in layer S.R. seen following Nlgn2 deletion. Intriguingly, combined Nlgn2 and MDGA1 deletion concurrently ameliorates the abnormal cytosolic gephyrin aggregation, the reduction in inhibitory synaptic transmission and the exacerbated anxiety-related behavior seen in Nlgn2 knockout (KO) mice. In contrast, heterozygous deletion of MDGA2 in Nlgn2 KO mice has only minor effects on gephyrin and GABA A R puncta and does not normalize cytosolic gephyrin aggregates, inhibitory synaptic transmission or anxiety-related behavior. Our data indicate that MDGA1, but not MDGA2, modulates Nlgn2 function, primarily by regulating the formation of cytosolic gephyrin aggregates. Given that both Nlgn2 and the MDGA family of proteins have been linked to psychiatric disorders, such as autism and schizophrenia, our data lead to the notion that abnormal gephyrin aggregation may contribute to the pathophysiology of these disorders, and that intervention with gephyrin aggregation could present a novel therapeutic strategy.

Abstract Heterozygous mutation of Ambra1 , known as a positive autophagy regulator, produces autismlike behavior in mice and autistic phenotypes in humans in a female-specific manner. However, the substantial roles of the Ambra1 mutation in neurons are still unknown. We find that Ambra1 heterozygotes display a moderate decrease in excitatory synaptic release in-vitro and ex-vivo exclusively in females without autophagy activity, resulting in significant alterations in γ-oscillation power and seizure susceptibility by excitatory/inhibitory (E/I) imbalance. Specifically, Ambra1 deficiency has no effect on neurogenesis and morphogenesis, but selectively decreases excitatory synaptic activity without changes in synapse number, quantal size, synaptic release probability, and synaptic plasticity. Therefore, the limited excitatory synaptopathy by Ambra1 expression levels ultimately determines E/I imbalance in global neural networks leading to the female-specific ASD.

Leukocyte common antigen-related receptor tyrosine phosphatases (LAR-RPTPs) are evolutionarily conserved presynaptic organizers. The synaptic role of vertebrate LAR-RPTPs in vivo, however, remains unclear. This study systematically analyzed the effects of genetic deletions of LAR-RPTP genes by generating single conditional knockout (cKO) mice targeting PTPσ and PTPδ. Although the numbers of synapses were reduced in cultured neurons deficient in individual PTPs, abnormalities in synaptic transmission, synaptic ultrastructures, and vesicle localization were observed only in PTPσ-deficient neurons. Strikingly, loss of presynaptic PTPσ reduced neurotransmitter release prominently at excitatory synapses, concomitant with drastic reductions in excitatory innervations onto postsynaptic target areas in vivo. However, postsynaptic PTPσ deletion had no effect on excitatory synaptic strength. Furthermore, conditional deletion of PTPσ in ventral CA1 specifically altered anxiety-like behaviors. Taken together, these results demonstrate that PTPσ is a bona fide presynaptic adhesion molecule that controls neurotransmitter release and excitatory inputs.

Nedd4-2 is an E3 ubiquitin ligase, missense mutation of which is related to familial epilepsy, indicating its critical role in regulating neuronal network activity. However, Nedd4-2 substrates involved in neuronal network function have yet to be identified. Using mouse lines lacking Nedd4-1 and Nedd4-2, we identified astrocytic channel proteins inwardly rectifying K+ channel 4.1 (Kir4.1) and Connexin43 as Nedd4-2 substrates. We found that the expression of Kir4.1 and Connexin43 is increased upon conditional deletion of Nedd4-2 in astrocytes, leading to an elevation of astrocytic membrane ion permeability and gap junction activity, with a consequent reduction of γ-oscillatory neuronal network activity. Interestingly, our biochemical data demonstrate that missense mutations found in familial epileptic patients produce gain-of-function of Nedd4-2 gene product. Our data reveal a process of coordinated astrocytic ion channel proteostasis that controls astrocyte function and astrocyte-dependent neuronal network activity, and elucidate a potential mechanism by which aberrant Nedd4-2 function leads to epilepsy.

Abstract Synapses, specialized contact sites between neurons, are the fundamental elements of neuronal information transfer. Synaptic plasticity is related to changes in synaptic morphology and the number of neurotransmitter receptors, and thought to underlie learning and memory. However, it is not clear how these structural and functional changes are connected. We utilized time-lapse super-resolution STED microscopy to visualize structural changes of the synaptic nano-organization of the postsynaptic scaffolding protein PSD95, the presynaptic scaffolding protein Bassoon, and the GluA2 subunit of AMPA receptors by chemically induced long-term potentiation (cLTP) at the level of single synapses. We found that the nano-organization of all three proteins undergoes an increase in complexity and size after cLTP induction. The increase was largely synchronous, peaking at ∼60 min after stimulation. Therefore, both the size and complexity of single pre- and post-synaptic nanostructures serve as substrates for adjusting and determining synaptic strength. Highlights - Time-lapse super-resolution images the structural changes of the PSD95 nano-organization after Cltp - cLTP-induced growth of the PSD95 nano-organization is less than spine head growth and peaks at 60 min, i.e. much slower than the increase in spine volume. - Most PSD95 nanostructures increase in complexity upon cLTP. - Synchronous growth - Nanostructures of pre- and postsynaptic scaffolding proteins and AMPA receptors increase simultaneously and equally strong upon cLTP. - GluA2-containing synaptic AMPA receptors form nanoclusters that increase in size and slightly in number upon cLTP and form subdomains on PSD95. - Bassoon forms complex structures similar to the PSD95 nano-organization.