Synaptic vesicle fusion, as evoked by action potentials, is confined to presynaptic protein nanoclusters, which are closely aligned with concentrated postsynaptic receptors and their scaffolding proteins—an organization termed a ‘nanocolumn’. Efficient neurotransmission has long been suspected to require precise alignment between pre-synaptic vesicle release sites and post-synaptic receptors, but direct observations have been hampered by the physics of light-microscopy. Thomas Blanpied and colleagues use hyper-resolution microscopy — which overcomes the diffraction barrier — to reveal that vesicular fusion at single synapses, as evoked by action potentials, is confined to pre-synaptic protein nanoclusters. The nanoclusters are closely aligned with concentrated post-synaptic receptors and their scaffolding proteins. The resulting molecular 'nanocolumns' are reorganized during NMDA receptor-dependent plasticity, and the authors suggest that they may contribute to the maintenance and regulation of synaptic efficiency. Synaptic transmission is maintained by a delicate, sub-synaptic molecular architecture, and even mild alterations in synapse structure drive functional changes during experience-dependent plasticity and pathological disorders1,2. Key to this architecture is how the distribution of presynaptic vesicle fusion sites corresponds to the position of receptors in the postsynaptic density. However, while it has long been recognized that this spatial relationship modulates synaptic strength3, it has not been precisely described, owing in part to the limited resolution of light microscopy. Using localization microscopy, here we show that key proteins mediating vesicle priming and fusion are mutually co-enriched within nanometre-scale subregions of the presynaptic active zone. Through development of a new method to map vesicle fusion positions within single synapses in cultured rat hippocampal neurons, we find that action-potential-evoked fusion is guided by this protein gradient and occurs preferentially in confined areas with higher local density of Rab3-interacting molecule (RIM) within the active zones. These presynaptic RIM nanoclusters closely align with concentrated postsynaptic receptors and scaffolding proteins4,5,6, suggesting the existence of a trans-synaptic molecular ‘nanocolumn’. Thus, we propose that the nanoarchitecture of the active zone directs action-potential-evoked vesicle fusion to occur preferentially at sites directly opposing postsynaptic receptor–scaffold ensembles. Remarkably, NMDA receptor activation triggered distinct phases of plasticity in which postsynaptic reorganization was followed by trans-synaptic nanoscale realignment. This architecture suggests a simple organizational principle of central nervous system synapses to maintain and modulate synaptic efficiency.

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.

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.

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.