The tubulin-binding protein gephyrin, which anchors the inhibitory glycine receptor (GlyR) at postsynaptic sites, decorates GABAergic postsynaptic membranes in various brain regions, and postsynaptic gephyrin clusters are absent from cortical cultures of mice deficient for the GABA A receptor γ2 subunit. Here, we investigated the postsynaptic clustering of GABA A receptors in gephyrin knock-out ( geph −/−) mice. Both in brain sections and cultured hippocampal neurons derived from geph −/− mice, synaptic GABA A receptor clusters containing either the γ2 or the α2 subunit were absent, whereas glutamate receptor subunits were normally localized at postsynaptic sites. Western blot analysis and electrophysiological recording revealed that normal levels of functional GABA A receptors are expressed in geph −/− neurons, however the pool size of intracellular GABA A receptors appeared increased in the mutant cells. Thus, gephyrin is required for the synaptic localization of GlyRs and GABA A receptors containing the γ2 and/or α2 subunits but not for the targeting of these receptors to the neuronal plasma membrane. In addition, gephyrin may be important for efficient membrane insertion and/or metabolic stabilization of inhibitory receptors at developing postsynaptic sites.

Abstract Transgenic cFos reporter mice are used to identify and manipulate neurons that store contextual information during fear learning. It is not clear, however, how spatial information acquired over several training days is integrated in the hippocampus. Using a water maze task, we observed that cFos expression patterns in the dentate gyrus are temporally unstable and shift daily. Surprisingly, cFos patterns did not get more stable with increasing spatial memory precision. Despite the fact that cFos was no longer expressed, optogenetic inhibition of neurons that expressed cFos on the first training day affected performance days later. Triggered by training, ΔFosB accumulates and provides a negative feedback mechanism that makes the cFos ensemble in the dentate gyrus dependent on the history of activity. Shifting cFos expression to a different set of granule cells every day may aid the formation of episodic memories.

Abstract Choroid plexus (ChP) epithelium is composed of specialized multiciliated cells. By using multiple microscopic techniques, biochemical approaches in various mutant mice and longitudinal analysis from mouse embryogenesis to aging, we show that ChP cilia are built on a gradient of events which are spatio-temporally regulated. We uncover that ChP cilia develop prenatally since early tissue morphogenesis, and proceeds as a multi-step process characterized by basal body multiplication and axoneme formation directly at the apical cellular compartment. Our data also show that choroid plexus cilia contain both primary and motile features. Remarkably, we demonstrate that ChP cilia undergo axoneme resorption, starting from early youth, through a tubulin destabilization process, which is primarily controlled by polyglutamylation levels and could be mitigated by the removal of the microtubule-severing enzyme spastin. Notably, we demonstrate that this phenotype is preserved in human samples.

Amphisomes are transient organelles that derive from fusion of autophagosomes with late endosomes. They rapidly transform into degradative autolysosomes, whereas non-degradative roles of the autophagic pathway have been barely described. Here we show that in neurons BDNF/TrkB receptor bearing Rab7 / Light chain 3 (LC3) - positive amphisomes signal at presynaptic boutons during retrograde trafficking to the soma. Local signaling and inward transport essentially require the Rap GTPase-activating (RapGAP) protein SIPA1L2, which directly binds to TrkB and Snapin to connect TrkB-containing amphisomes to dynein. Association with LC3 regulates the RapGAP activity of SIPA1L2 and thereby retrograde trafficking. Following induction of presynaptic plasticity amphisomes dissociate from dynein at boutons, and this enables local signaling and promotes transmitter release. Accordingly, sipa1l2 knockout mice show impaired BDNF-dependent presynaptic plasticity. Collectively, the data suggest that TrkB-signaling endosomes are in fact amphisomes that during retrograde transport have local signaling capacity in the context of presynaptic plasticity.

Abstract Developmental remodeling shapes neural circuits via activity-dependent pruning of synapses and axons. The cytoskeleton is critical for this process, as microtubule loss via enzymatic severing is an early step of pruning across many circuits and species. However, how microtubule-severing enzymes, such as spastin, are activated in specific neuronal compartments remains unknown. Here, we reveal that polyglutamylation, a posttranslational tubulin modification that is enriched in neurons, plays an instructive role in developmental remodeling by tagging microtubules for severing. Motor neuron-specific gene deletion of enzymes that add or remove tubulin polyglutamylation—TTLL glutamylases vs. CCP deglutamylases—accelerates or delays neuromuscular synapse remodeling in a neurotransmission-dependent manner. This mechanism is not specific to peripheral synapses but also operates in central circuits, e.g., the hippocampus. Thus, tubulin polyglutamylation acts as an activity-dependent rheostat of remodeling and shapes neuronal morphology and connectivity.

Abstract Myelin sheaths comprise compacted layers of oligodendroglial membrane wrapped spirally around axons. Each sheath, if imagined unwrapped, has a cytoplasm-filled space at its perimeter, linking it to the oligodendrocyte soma via a short process. By electron microscopy (EM), this space, which we term the ‘ myelinic channel system ’ contains microtubules and membranous organelles, but whether these are remnants of development or serve a function is unknown. Performing live imaging of myelinating oligodendrocytes expressing fluorescent reporters, we found that the myelinic channel system serves microtubule-dependent organelle transport. Further, the intra-myelinic movement of peroxisomes was modulated by neuronal electrical activity in these mixed neural cell cultures. Loss of oligodendroglial Kif21b or CNP in vivo led to apparent stasis of myelin organelles and secondary axon pathology. This suggests that oligodendrocytes require motor transport in the myelinic channel system to maintain axonal integrity.

Tetraspanins are transmembrane proteins that form tetraspanin-enriched microdomains at biological membranes and contribute to the formation of functional protein complexes involved in various cellular processes. Tspan7 and Tspan15 are highly expressed in the hippocampus, a brain region that contributes to the regulation of social aggression. While Tspan7 has been observed to modulate cognition and behavior in rodents, the function of Tspan15 in this context is still unknown. In this study, we tested preference for social novelty, territorial and aggressive behavior in mice lacking Tspan15 gene expression. We report that male Tspan15-KO mice exhibit an increased motivation for social investigation and show increased aggression compared to WT littermates, regardless of familiarity with the partner mouse. Our data suggest a possible role of Tspan15 as a molecular modulator of certain neuronal circuits that control aggressive behavior.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) have gained significant attention as pathology mediators and potential diagnostic tools for neurodegenerative diseases. However, isolation of brain-derived EVs (BDEVs) from tissue remains challenging, often involving enzymatic digestion steps that may compromise the integrity of EV proteins and overall functionality. Here, we describe that collagenase digestion, commonly used for BDEV isolation, produces undesired protein cleavage of EV-associated proteins in brain tissue homogenates and cell-derived EVs. In order to avoid this effect, we studied the possibility of isolating BDEVs with a reduced amount of collagenase or without any protease. Characterization of the isolated BDEVs revealed their characteristic morphology and size distribution with both approaches. However, we revealed that even minor enzymatic digestion induces ‘artificial’ proteolytic processing in key BDEV markers, such as Flotillin-1, CD81, and the cellular prion protein (PrP C ), whereas avoiding enzymatic treatment completely preserves their integrity. We found no differences in mRNA and protein content between non-enzymatically and enzymatically isolated BDEVs, suggesting that we are purifying the same BDEV populations with both approaches. Intriguingly, the lack of Golgi marker GM130 signal, often referred to as contamination contamination-negative marker in EV preparations, seems to result from enzymatic digestion rather than from its actual absence in BDEV samples. Overall, we show that non-enzymatic isolation of EVs from brain tissue is possible and avoids artificial pruning of proteins while achieving a high BDEV yield and purity. This protocol will help to understand the functions of BDEV in a near-physiological setting, thus opening new research approaches.

Abstract Homeostatic synaptic plasticity adjusts the strength of synapses to restrain neuronal activity within a physiological range. Postsynaptic GKAP controls the bidirectional synaptic scaling of AMPA receptors (AMPARs) however how chronic activity triggers postsynaptic protein remodeling to downscale synaptic transmission is barely understood. Here we report that the microtubule-dependent kinesin motor KIF21B interacts with GKAP and likewise enters dendritic spines in a myosin Va- and activity-dependent manner. We observed that under conditions of chronic activity KIF21B regulates actin dynamics in spines, triggers spine removal of GluA2-containing AMPA receptors, and mediates homeostatic synaptic downscaling of AMPA receptor-mediated mEPSC amplitudes. Our data highlight a myosin-kinesin interaction that enables the entry of the microtubule-dependent motor KIF21B into actin-rich spine compartments. A slow actin turnover rate might be beneficial for efficient protein removal from excitatory synapses, suggesting a functional role of KIF21B in a GKAP- and AMPA receptor-dependent mechanism, underlying homeostatic downscaling of neuronal firing.

Abstract Dynamic microtubules transiently polymerize into dendritic spines, however intracellular factors that regulate this process and their functional role at synapses are hardly understood. Using live imaging, electrophysiology, and glutamate uncaging, we show that the microtubule-severing complex katanin is located at individual spine synapses, participates in the activity-dependent process of microtubule polymerization into dendritic spines, and regulates synaptic plasticity. Overexpression of a dominant-negative ATPase-deficient katanin subunit, did not alter microtubule growth velocities or comet density in dendrites, but significantly reduced the activity-dependent invasion of microtubules into dendritic spines. Notably, functional inhibition of katanin significantly affected the potentiation of AMPA-receptor-mediated excitatory currents after chemical induction of long-term potentiation (cLTP). Furthermore, interference with katanin function prevented structural spine remodeling following single spine glutamate uncaging. Our data identify katanin at individual spine synapses in association with PSD-95. Thus, katanin regulates postsynaptic microtubules and modulates synaptic structure and function.