Abstract MDGAs are molecules that can bind neuroligins in cis and interfere with trans-synaptic neurexin-neuroligin interactions, thereby impairing synapse development. However, the sub-cellular localization and dynamics of MDGAs, as well as their specific mode of action in neurons are still unclear. Here, using both surface immunostaining of endogenous MDGAs and single molecule tracking of recombinant MDGAs in dissociated hippocampal neurons, we show that MDGA1 and MDGA2 molecules are homogeneously distributed and exhibit fast membrane diffusion, with a small reduction in mobility across neuronal maturation in culture Using shRNAs and CRISPR/Cas9 strategies to knock-down/out MDGA1 or MDGA2, we demonstrate an increase in the density of excitatory synapses accompanied by enhanced membrane immobilization and an increase in the phosphotyrosine level of neuroligins associated with excitatory post-synaptic differentiation. Finally, we show that decreasing MDGA expression level reduces the mobility of AMPA receptors and increases the frequency of AMPA receptor mediated mEPSCs. Overall, our results support a mechanism by which interactions between MDGAs and neuroligin-1 delays the assembly of functional excitatory synapses containing AMPA receptors.

Synaptic diversity is a key feature of neural circuits. The structural and functional diversity of closely spaced inputs converging on the same neuron suggests that cell-surface interactions are essential in organizing input properties. Here, we analyzed the cell-surface protein (CSP) composition of hippocampal mossy fiber (MF) inputs on CA3 pyramidal neurons to identify regulators of MF-CA3 synapse properties. We uncover a rich cell-surface repertoire that includes adhesion proteins, guidance cue receptors, extracellular matrix (ECM) proteins, and uncharacterized CSPs. Interactome screening reveals multiple ligand-receptor modules and identifies ECM protein Tenascin-R (TenR) as a ligand of the uncharacterized neuronal receptor IgSF8. Presynaptic Igsf8 deletion impairs MF-CA3 synaptic architecture and robustly decreases the density of bouton filopodia that provide feedforward inhibition of CA3 neurons. Consequently, loss of IgSF8 increases CA3 neuron excitability. Our findings identify IgSF8 as a regulator of CA3 microcircuit development and suggest that combinations of CSP modules define input identity.

Abstract Cortical layer 5 (L5) intratelencephalic (IT) and pyramidal tract (PT) neurons are embedded in distinct information processing pathways. The morphology, connectivity, electrophysiological properties, and role in behavior of these neurons have been extensively analyzed. However, the molecular composition of their synapses remains largely uncharacterized. Here, we dissect the protein composition of the excitatory postsynaptic compartment of L5 neurons in intact somatosensory circuits, using an optimized proximity biotinylation workflow with subsynaptic resolution. We find distinct synaptic signatures of L5 IT and PT neurons that are defined by proteins regulating synaptic organization and transmission, including cell-surface proteins (CSPs), neurotransmitter receptors and ion channels. In addition, we find a differential vulnerability to disease, with a marked enrichment of autism risk genes in the synaptic signature of L5 IT neurons compared to PT neurons. Our results align with human studies and suggest that the excitatory postsynaptic compartment of L5 IT neurons is notably susceptible in autism. Together, our analysis sheds light on the proteins that regulate synaptic organization and function of L5 neuron types and contribute to their susceptibility in disease. Our approach is versatile and can be broadly applied to other neuron types to create a protein-based, synaptic atlas of cortical circuits.

Abstract In Alzheimer’s disease (AD), pathophysiological changes in the hippocampus cause deficits in episodic memory formation, leading to cognitive impairment 1,2 . Neuronal hyperactivity is observed early in AD 3,4 . Here, we find that homeostatic mechanisms transiently counteract increased neuronal activity in the hippocampal CA1 region of the App NL-G-F humanized knock-in mouse model for AD 5 , but ultimately fail to maintain neuronal activity at set-point. Spatial transcriptomic analysis in CA1 during the homeostatic response identifies the Melanin-Concentrating Hormone (MCH)-encoding gene. MCH is expressed in sleep-active lateral hypothalamic neurons that project to CA1 and modulate memory 6 . We show that MCH regulates synaptic plasticity genes and synaptic downscaling in hippocampal neurons. Furthermore, MCH-neuron activity is impaired in App NL-G-F mice, disrupting sleep-dependent homeostatic plasticity and stability of neuronal activity in CA1. Finally, we find perturbed MCH-axon morphology in CA1 early in App NL-G-F mice and in AD patients. Our work identifies dysregulation of the MCH-system as a key player in aberrant neuronal activity in the early stages of AD.