ABSTRACT Single-molecule localization microscopy (SMLM) techniques are emerging as vital tools to unravel the nanoscale world of living cells. However, current analysis methods primarily focus on defining spatial nanoclusters based on detection density, but neglect important temporal information such as cluster lifetime and recurrence in “hotspots” on the plasma membrane. Spatial indexing is widely used in videogames to effectively detect interactions between moving geometric objects. Here, we use the R-tree spatial indexing algorithm to perform SMLM data analysis and determine whether the bounding boxes of individual molecular trajectories overlap, as a measure of their potential membership in nanoclusters. Extending the spatial indexing into the time dimension allows unique resolution of spatial nanoclusters into multiple spatiotemporal clusters. We have validated this approach using synthetic and SMLM-derived data. Quantitative characterization of recurring nanoclusters allowed us to demonstrate that both syntaxin1a and Munc18-1 molecules transiently cluster in hotspots on the neurosecretory plasma membrane, offering unprecedented insights into the dynamics of these protein which are essential to neuronal communication. This new analytical tool, named Nanoscale Spatiotemporal Indexing Clustering (NASTIC), has been implemented as a free and open-source Python graphic user interface.

Summary Following exocytosis, the recapture of vesicular proteins stranded at the plasma membrane in recycling synaptic vesicles (SVs) is essential to sustain neurotransmission. Nanoclustering is emerging as a mechanism through which proteins may be ‘pre-assembled’ prior to endocytosis, to ensure high fidelity of retrieval for subsequent rounds of vesicle fusion. Here, we used single molecule imaging to examine the nanoclustering of synaptotagmin-1 (Syt1) and synaptic vesicle protein 2A (SV2A). Syt1 forms surface nanoclusters through interaction of its C2B domain (K326/K328) with SV2A, as demonstrated by mutating Syt1 (K326A/K328A) and knocking down endogenous SV2A. Blocking cognate interaction with Syt1 (SV2A T84A ) also decreased SV2A clustering. Impaired nanoclustering of Syt1 and SV2A leads to accelerated endocytosis of Syt1, altered intracellular sorting and decreased trafficking of Syt1 to a Rab5-positive endocytic pathway. We conclude that the interaction between SV2A and Syt1 locks both molecules into surface nanoclusters, controlling their entry into recycling SVs.

Abstract Fyn is a Src kinase that controls critical signalling cascades and its postsynaptic enrichment underpins synaptotoxicity in Alzheimer’s disease (AD) and frontotemporal dementia (FTLD-tau). Previously, we found that pathogenic FTLD tau mutant (P301L) expression promotes aberrant trapping of Fyn in nanoclusters within hippocampal dendrites via an unknown mechanism (Padmanabhan et al., 2019). Here, we imaged Fyn-mEos2 using single particle tracking photoactivated localization microscopy (sptPALM) to demonstrate that nanoclustering of Fyn in hippocampal dendrites is promoted by Fyn’s open, primed conformation. Disrupting the auto-inhibitory, closed conformation of Fyn through phospho-inhibition, and perturbation of Fyn’s SH3 domain increases, Fyn’s nanoscale trapping. However, inhibition of Fyn’s catalytic domain has no impact on its mobility. Tau-P301L promotes Fyn lateral trapping via Fyn opening and ensuing increased catalytic activation. Pathogenic tau may therefore drive synaptotoxicity by locking Fyn in an open, catalytically active conformation, leading to postsynaptic entrapment and aberrant signalling cascades.

Abstract Following exocytosis, the recapture of plasma membrane-stranded vesicular proteins into recycling synaptic vesicles (SVs) is essential for sustaining neurotransmission. Surface clustering of vesicular proteins has been postulated as a ‘pre-assembly’ mechanism for endocytosis – ensuring high-fidelity retrieval. Here, we used single-molecule imaging to examine the nanoclustering of synaptotagmin-1 (Syt1) and synaptic vesicle protein 2A (SV2A) in hippocampal neurons. Syt1 forms surface nanoclusters through interaction of its C2B domain with SV2A, that are sensitive to mutations in this domain (Syt1 K326A/K328A ) and knocking down SV2A. SV2A co-cluster with Syt1 and blocking SV2A’s cognate interaction with Syt1 (SV2A T84A ) also decreased SV2A clustering. Surprisingly, impairing SV2A-Syt1 nanoclustering enhanced plasma membrane recruitment of key endocytic protein dynamin-1, leading to accelerated Syt1 endocytosis, altered intracellular sorting and decreased trafficking of Syt1 to Rab5-positive endocytic compartments. SV2A-Syt1 surface nanoclusters therefore negatively regulate the rate of their own re-entry into recycling SVs by controlling the recruitment of the endocytic machinery.

Abstract The phospholipid and free fatty acid (FFA) composition of neuronal membranes plays a crucial role in learning and memory, but the mechanisms through which neuronal activity affects the brain’s lipid landscape remain largely unexplored. Saturated FFAs, particularly myristic acid (C14:0), strongly increase during neuronal stimulation and memory acquisition, suggesting the involvement of phospholipase A1 (PLA1) activity in synaptic plasticity. Here, we show that genetic ablation of the DDHD2 isoform of PLA1 in mice reduced memory performance in reward-based learning and spatial memory models prior to the development of neuromuscular deficits, and markedly reduced saturated FFAs across the brain. DDHD2 was shown to bind to the key synaptic protein STXBP1. Using STXBP1/2 knockout neurosecretory cells and a haploinsufficient STXBP1 +/- mouse model of STXBP1 encephalopathy that is also associated with intellectual disability and motor dysfunction, we show that STXBP1 controls the targeting of DDHD2 to the plasma membrane and the generation of saturated FFAs in the brain. Our findings suggest key roles for DDHD2 and STXBP1 in the lipid metabolism underlying synaptic plasticity, learning and memory.

Abstract The extreme neurotoxicity of botulinum neurotoxins (BoNTs), broadly used as a therapeutics, is mediated by their direct binding to two plasma membrane receptors: polysialogangliosides (PSGs) and serotype-dependently either synaptotagmin 1/2 (Syt1/2) or synaptic vesicle glycoprotein 2 (SV2). Here, we demonstrate that although BoNT/A serotype binds directly to PSG and SV2, its neurotoxicity depends on Syt1. Using single-molecule superresolution microscopy of pathological concentrations of BoNT/A holotoxins, we demonstrate that the toxin binds to a preassembled PSG-Syt1 complex that forms nanoclusters with SV2 on the plasma membrane of hippocampal neurons. This coincidental interaction controls the selective endocytic targeting of BoNT/A into synaptic vesicles, leading to incapacitation of neuronal communication. Our results suggest that Syt1-SV2 plasma membrane nanoclusters may acts as a common target for various BoNT serotypes. One-Sentence Summary BoNT/A hijacks an intrinsic tripartite PSG-Syt1-SV2 endocytic sorting mechanism to incapacitate neuronal communication

SUMMARY Munc18-interacting proteins (Mints) are multi-domain adaptors that regulate neuronal membrane trafficking, signalling and neurotransmission. Mint1 and Mint2 are highly expressed in the brain with overlapping roles in the regulation of synaptic vesicle fusion required for neurotransmitter release by interacting with the essential synaptic protein Munc18-1. Here, we have used AlphaFold2 to identify and then validate the mechanisms that underpin both the specific interactions of neuronal Mint proteins with Munc18-1 as well as their wider interactome. We find a short acidic α-helical motif (AHM) within Mint1 and Mint2 is necessary and sufficient for specific binding to Munc18-1 and binds a conserved surface on Munc18-1 domain3b. In Munc18-1/2 double knockout neurosecretory cells mutation of the Mint-binding site reduces the ability of Munc18-1 to rescue exocytosis, and although Munc18-1 can interact with Mint and Sx1a proteins simultaneously in vitro we find they have mutually reduced affinities, suggesting an allosteric coupling between the proteins. Using AlphaFold2 to then examine the entire cellular network of putative Mint interactors provides a structural model for their assembly with a variety of known and novel regulatory and cargo proteins including ARF3/ARF4 small GTPases, and the AP3 clathrin adaptor complex. Validation of Mint1 interaction with a new predicted binder TJAP1 provides experimental support that AlphaFold2 can correctly predict interactions across such large-scale datasets. Overall, our data provides insights into the diversity of interactions mediated by the Mint family and shows that Mints may help facilitate a key trigger point in SNARE complex assembly and vesicle fusion.

SNARE-mediated secretory vesicle (SV) exocytosis underpins neuronal communication. Munc18-1 orchestrates SNARE complex formation by controlling the opening of syntaxin-1A. How the SV-plasma membrane interface becomes fusion-competent at the nanoscale level is poorly understood. Here, we propose that the interaction of Munc18-1 with VAMP2 during vesicular docking triggers nanoscale re-organization which renders the SV-plasma membrane interface fusion-competent. We identified and mutated key residues in Munc18-1 domain 3a (A297 and T304) hypothesised to impair its interaction with VAMP2. Munc18-1A297H, and to a lesser extent Munc18-1T304H, constrained SVs on the plasma membrane and reduced stimulated secretion, under re-expression conditions in Munc18-1/2 double knockout neurosecretory cells. Moreover, the de-clustering of Munc18-1 in response to activity was lost for both mutants. The interaction of VAMP2 with the Munc18-1 domain 3a therefore controls the re-organization of the nanoscale environment of the docked SVplasma membrane interface, fostering syntaxin-1A opening and Munc18-1 release to ensure that SNARE assembly only occurs within the confinement of docked vesicles.