A Disintegrin And Metalloproteinase 10 (ADAM10) plays a pivotal role in shaping neuronal networks by orchestrating the activity of numerous membrane proteins through the shedding of their extracellular domains. Despite its significance in the brain, the specific cellular localization of ADAM10 remains not well understood due to a lack of appropriate tools. Here, using a specific ADAM10 antibody suitable for immunostainings, we observed that ADAM10 is localized to presynapses and especially enriched at presynaptic vesicles of mossy fiber (MF)-CA3 synapses in the hippocampus. These synapses undergo pronounced frequency facilitation of neurotransmitter release, a process that play critical roles in information transfer and neural computation. We demonstrate, that in conditional ADAM10 knockout mice the ability of MF synapses to undergo this type of synaptic plasticity is greatly reduced. The loss of facilitation depends on the cytosolic domain of ADAM10 and association with the calcium sensor synaptotagmin 7 rather than ADAM10's proteolytic activity. Our findings unveil a new role of ADAM10 in the regulation of synaptic vesicle exocytosis.

Reduced left atrial PITX2 is associated with atrial cardiomyopathy and atrial fibrillation. PITX2 is restricted to left atrial cardiomyocytes in the adult heart. The links between PITX2 deficiency, atrial cardiomyopathy and atrial fibrillation are not fully understood.

ABSTRACT Synaptic loss is an early event in the undersupplied but not yet irreversibly injured penumbra area after an ischemic stroke. Promoting synaptic preservation in this area would likely improve functional neurological recovery. In the present study, we aimed to detect proteins involved in endogenous protection mechanisms of synapses in the penumbra after stroke and to analyse the potential beneficial effect of these candidates for a prospective stroke treatment. For this, we performed Liquid Chromatography coupled to Mass Spectrometry (LC-MS)-based proteomics of synaptosomes isolated from the ipsilateral hemispheres of mice subjected to experimental stroke at different time points (24 h, 4 and 7 days) and compared them to sham-operated mice. Proteomic analyses indicated that among the differentially expressed proteins between the two groups, cystatin C (CysC) was significantly increased at 24 h and 4 days following stroke, before returning to steady-state levels at 7 days, thus indicating a potential transient and intrinsic rescue mechanism attempt of neurons. When CysC was applied to primary neuronal cultures subjected to an in vitro model of ischemic damage, this treatment significantly improved the preservation of synaptic structures. Notably, similar effects were observed when CysC was loaded into brain-derived extracellular vesicles (BDEVs). Finally, when CysC contained in BDEVs was administered intracerebroventricularly to stroked mice, it significantly increased the expression of synaptic markers such as SNAP25, Homer-1, and NCAM in the penumbra area compared to the group supplied with empty BDEVs. Thus, we show that CysC-loaded BDEVs promote synaptic protection after ischemic damage in vitro and in vivo , opening the possibility of a therapeutic use in stroke patients.

Abstract Mutations in the lysosomal membrane protein CLN3 cause Juvenile Neuronal Ceroid Lipofuscinosis (JNCL). Activation of the lysosomal ion channel TRPML1 has previously been shown to be beneficial in several neurodegenerative disease models. Here, we tested whether TRPML1 activation rescues disease-associated phenotypes in CLN3-deficient retinal pigment epithelial (ARPE-19 CLN3-KO) cells. ARPE-19 CLN3-KO cells accumulate LAMP1 positive organelles and show lysosomal storage of mitochondrial ATPase subunit C (SubC), globotriaosylceramide (Gb3), and glycerophosphodiesters (GPDs), whereas lysosomal bis(monoacylglycero)phosphate (BMP/LBPA) lipid levels were significantly decreased. Activation of TRPML1 reduced lysosomal storage of Gb3 and SubC but failed to restore BMP levels in CLN3-KO cells. TRPML1-mediated decrease of storage was TFEB-independent, and we identified TRPML1-mediated enhanced lysosomal exocytosis as a likely mechanism for clearing storage including GPDs. Therefore, ARPE-19 CLN3-KO cells represent a human cell model for CLN3 disease showing many of the described core lysosomal deficits, some of which can be improved using TRPML1 agonists.

Abstract The disruption of astrocytic catabolic processes contributes to the impairment of amyloid-β (Aβ) clearance, neuroinflammatory signaling, and the loss of synaptic contacts in late-onset Alzheimer’s disease (AD). While it is known that the posttranslational modifications of Aβ have significant implications on biophysical properties of the peptides, their consequences for clearance impairment are not well understood. It was previously shown that N-terminally pyroglutamylated Aβ3(pE)-42, a significant constituent of amyloid plaques, is efficiently taken up by astrocytes, leading to the release of pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor α (TNFα) and synapse loss. Here we report that Aβ3(pE)-42, but not Aβ1-42, gradually accumulates within the astrocytic endolysosomal system, disrupting this catabolic pathway and inducing formation of heteromorphous vacuoles. This accumulation alters lysosomal kinetics and lysosome-dependent calcium signaling, and upregulates lysosomal stress response. These changes correlate with the upregulation of glial fibrillary acidic protein (GFAP) and increased activity of nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NFᴋB). Treatment with a lysosomal protease inhibitor, E64, rescues GFAP upregulation, NFᴋB activation, and synapse loss, indicating that abnormal lysosomal protease activity is upstream of pro-inflammatory signaling and related synapse loss. Collectively, our data suggest that Aβ3(pE)-42-induced disruption of the astrocytic endolysosomal system leads to cytoplasmic leakage of lysosomal proteases, promoting pro-inflammatory signaling and synapse loss, hallmarks of AD-pathology.

Type III secretion systems (T3SSs) are essential virulence factors of numerous bacterial pathogens. Upon host cell contact the T3SS machinery - also named injectisome - assembles a pore complex/translocon within host cell membranes that serves as an entry gate for the bacterial effectors. Whether and how translocons are physically connected to injectisome needles, whether their phenotype is related to the level of effector translocation and which target cell factors trigger their assembly have remained unclear. We employed the superresolution fluorescence microscopy techniques Stimulated Emission Depletion (STED) and Structured Illumination Microscopy (SIM) as well as immunogold electron microscopy to visualize Y. enterocolitica translocons during infection of different target cell types. Thereby we were able to resolve translocon and needle complex proteins within the same injectisomes and demonstrate that these fully assembled injectisomes are generated in a prevacuole, a PI(4,5)P2 enriched host cell compartment inaccessible to large extracellular proteins like antibodies. Furthermore, the putatively operable translocons were produced by the yersiniae to a much larger degree in macrophages (up to 25% of bacteria) than in HeLa cells (2% of bacteria). However, when the Rho GTPase Rac1 was activated in the HeLa cells, uptake of the yersiniae into the prevacuole, translocon formation and effector translocation were strongly enhanced reaching the same levels as in macrophages. Our findings indicate that operable T3SS translocons can be visualized as part of fully assembled injectisomes with superresolution fluorescence microscopy techniques. By using this technology we provide novel information about the spatiotemporal organisation of T3SS translocons and their regulation by host cell factors.

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 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.

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.

Sensory circuits are typically established during early development, yet how circuit specificity and function are maintained during organismal growth has not been elucidated. To gain insight we quantitatively investigated synaptic growth and connectivity in the Drosophila nociceptive network during larval development. We show that connectivity between primary nociceptors and their downstream neurons scales with animal size. We further identified the conserved Ste20-like kinase Tao as a negative regulator of synaptic growth required for maintenance of circuit specificity and connectivity. Loss of Tao kinase resulted in exuberant postsynaptic specializations and aberrant connectivity during larval growth. Using functional imaging and behavioral analysis we show that loss of Tao-induced ectopic synapses with inappropriate partner neurons are functional and alter behavioral responses in a connection-specific manner. Our data show that fine-tuning of synaptic growth by Tao kinase is required for maintaining specificity and behavioral output of the neuronal network during animal growth.