Incorporation of GluR1-containing AMPA receptors into synapses is essential to several forms of neural plasticity, including long-term potentiation (LTP). Numerous signaling pathways that trigger this process have been identified, but the direct modifications of GluR1 that control its incorporation into synapses are unclear. Here, we show that phosphorylation of GluR1 by PKC at a highly conserved serine 818 residue is increased during LTP and critical for LTP expression. GluR1 is phosphorylated by PKC at this site in vitro and in vivo. In addition, acute phosphorylation at GluR1 S818 by PKC, as well as a phosphomimetic mutation, promotes GluR1 synaptic incorporation. Conversely, preventing GluR1 S818 phosphorylation reduces LTP and blocks PKC-driven synaptic incorporation of GluR1. We conclude that the phosphorylation of GluR1 S818 by PKC is a critical event in the plasticity-driven synaptic incorporation of AMPA receptors.

SUMMARY Synapses in the brain exhibit cell-type-specific differences in basal synaptic transmission and plasticity. Here, we evaluated cell-type-specific differences in the composition of glutamatergic synapses, identifying Btbd11, as an inhibitory interneuron-specific synapse-enriched protein. Btbd11 is highly conserved across species and binds to core postsynaptic proteins including Psd-95. Intriguingly, we show that Btbd11 can undergo liquid-liquid phase separation when expressed with Psd-95, supporting the idea that the glutamatergic post synaptic density in synapses in inhibitory and excitatory neurons exist in a phase separated state. Knockout of Btbd11 from inhibitory interneurons decreased glutamatergic signaling onto parvalbumin-positive interneurons. Further, both in vitro and in vivo , we find that Btbd11 knockout disrupts network activity. At the behavioral level, Btbd11 knockout from interneurons sensitizes mice to pharmacologically induced hyperactivity following NMDA receptor antagonist challenge. Our findings identify a cell-type-specific protein that supports glutamatergic synapse function in inhibitory interneurons—with implication for circuit function and animal behavior.

Abstract SynGAP is an abundant synaptic GTPase-activating protein (GAP) critical for synaptic plasticity, learning, memory, and cognition. Mutations in SYNGAP1 in humans result in intellectual disability, autistic-like behaviors, and epilepsy. Heterozygous Syngap1 knockout mice display deficits in synaptic plasticity, learning, and memory, and exhibit seizures. It is unclear whether SynGAP imparts structural properties at synapses independent of its GAP activity. Here, we report that inactivating mutations within the SynGAP GAP domain do not inhibit synaptic plasticity or cause behavioral deficits. Instead, SynGAP modulates synaptic strength by physically competing with the AMPA- receptor-TARP complex, the major excitatory receptor complex in the brain, in the formation of molecular condensates with synaptic scaffolding proteins. These results have significant implications for the development of therapeutic treatments for SYNGAP1 - related neurodevelopmental disorders. One-Sentence Summary SynGAP regulates synaptic plasticity and cognition due to its phase separation properties instead of its catalytic activity.

Abstract The efficient knock-in of large DNA fragments to label endogenous proteins remains especially challenging in non-dividing cells such as neurons. We developed T argeted K nock- I n with T wo-guides (TKIT) as a novel CRISPR/Cas9 based approach for efficient, and precise, genomic knock-in. Through targeting non-coding regions TKIT is resistant to INDEL mutations. We demonstrate TKIT labelling of endogenous synaptic proteins with various tags, with efficiencies up to 42% in mouse primary cultured neurons. Utilizing in utero electroporation or viral injections in mice TKIT can label AMPAR subunits with Super Ecliptic pHluorin, enabling visualization of endogenous AMPARs in vivo using two-photon microscopy. We further use TKIT to assess the mobility of endogenous AMPARs using fluorescence recovery after photobleaching. Finally, we show that TKIT can be used to tag AMPARs in rat neurons, demonstrating precise genome editing in another model organism and highlighting the broad potential of TKIT as a method to visualize endogenous proteins.

Human memory is a polygenic cognitive trait that is fundamental to individual competence. Genome-wide association studies (GWAS) have identified KIBRA as a novel gene associated with human memory performance. KIBRA interacts with AMPA receptors (AMPARs) and proteins essential for synaptic plasticity. The deletion of Kibra in mice impairs synaptic plasticity and learning and memory. However, the molecular basis through which KIBRA regulates dynamic AMPAR trafficking underlying synaptic plasticity is still unknown. Here we report that KIBRA interacts with the neuronal specific kinase PKCγ to modulate AMPAR trafficking upon learning, and KIBRA-PKCƔ signaling pathway also associates with human memory performance. We find PKCƔ is an essential kinase that phosphorylates AMPARs upon learning, and the loss of KIBRA in mouse brain impedes PKCƔ-AMPAR interaction. Activation of PKCƔ enables KIBRA to recruit phosphorylated AMPARs to the synapse to promote LTP and learning. We further performed transcriptomic and genetic analyses in human postmortem brain samples, and behavioral and fMRI evaluations in living human subjects, to demonstrate the genetic interactions between KIBRA and PRKCG on memory performance and memory associated physiological engagement of the hippocampal memory system. Overall, our results support that the KIBRA-PKCƔ signaling pathway is crucial for modulating memory performance in mice and humans.

The brain helps us survive by forming internal representations of the external world 1,2 . Excitatory cortical neurons are often precisely tuned to specific external stimuli 3,4 . However, inhibitory neurons, such as parvalbumin-positive (PV) interneurons, are generally less selective 5 . PV interneurons differ from excitatory cells in their neurotransmitter receptor subtypes, including AMPA receptors 6,7 . While excitatory neurons express calcium-impermeable AMPA receptors containing the GluA2 subunit, PV interneurons express receptors that lack the GluA2 subunit and are calcium-permeable (CP-AMPARs). Here we demonstrate a causal relationship between CP-AMPAR expression and the low feature selectivity of PV interneurons. We find a low expression stoichiometry of GluA2 mRNA relative to other subunits in PV interneurons which is conserved across ferrets, rodents, marmosets, and humans, causing abundant CP-AMPAR expression. Replacing CP-AMPARs in PV interneurons with calcium-impermeable AMPARs increased their orientation selectivity in the visual cortex. Sparse CP-AMPAR manipulations demonstrated that this increase was cell-autonomous and could occur well beyond development. Interestingly, excitatory-PV interneuron connectivity rates and unitary synaptic strength were unaltered by CP-AMPAR removal, suggesting that the selectivity of PV interneurons can be altered without drastically changing connectivity. In GluA2 knockout mice, where all AMPARs are calcium-permeable, excitatory neurons showed significantly reduced orientation selectivity, suggesting that CP-AMPARs are sufficient to drive lower selectivity regardless of cell type. Remarkably, hippocampal PV interneurons, which usually exhibit low spatial tuning, became more spatially selective after removing CP-AMPARs, indicating that CP-AMPARs suppress the feature selectivity of PV interneurons independent of modality. These results reveal a novel role of CP-AMPARs in maintaining a low-selectivity sensory representation in PV interneurons and suggest a conserved molecular mechanism that distinguishes the unique synaptic computations of inhibitory and excitatory neurons.

Elucidating how synaptic molecules such as AMPA receptors mediate neuronal communication is crucial to understanding cognition and disease, but current technological barriers preclude large-scale exploration of molecular dynamics in vivo. We have developed a suite of innovative methodologies that break through these barriers: a transgenic mouse line with fluorescently tagged endogenous AMPA receptors, two-photon imaging of hundreds of thousands of labeled synapses in behaving mice, and machine-learning-based automatic synapse detection. Using these tools, we can longitudinally track how the strength of individual synapses changes during behavior. We used this approach to generate an unprecedentedly detailed spatiotemporal map of synaptic plasticity underlying sensory experience. More generally, these tools can be used as an optical probe capable of measuring functional synapse strength across entire brain areas during any behavioral paradigm, describing complex system-wide changes with molecular precision.

SUMMARY WWC2 (WW and C2 domain-containing protein) is implicated in several neurological disorders, however its function in the brain has yet to be determined. Here, we demonstrate that WWC2 interacts with inhibitory but not excitatory postsynaptic scaffolds, consistent with prior proteomic identification of WWC2 as a putative component of the inhibitory postsynaptic density. Using mice lacking WWC2 expression in excitatory forebrain neurons, we show that WWC2 suppresses GABA A R incorporation into the plasma membrane and regulates HAP1 and GRIP1, which form a complex promoting GABA A R recycling to the membrane. Inhibitory synaptic transmission is dysregulated in CA1 pyramidal cells lacking WWC2. Furthermore, unlike the WWC2 homolog KIBRA (WWC1), a key regulator of AMPA receptor trafficking at excitatory synapses, deletion of WWC2 does not affect synaptic AMPAR expression. In contrast, loss of KIBRA does not affect GABA A R membrane expression. These data reveal unique, synapse class-selective functions for WWC proteins as regulators of ionotropic neurotransmitter receptors and provide insight into mechanisms regulating GABA A R membrane expression.