A small number of rare, recurrent genomic copy number variants (CNVs) are known to substantially increase susceptibility to schizophrenia. As a consequence of the low fecundity in people with schizophrenia and other neurodevelopmental phenotypes to which these CNVs contribute, CNVs with large effects on risk are likely to be rapidly removed from the population by natural selection. Accordingly, such CNVs must frequently occur as recurrent de novo mutations. In a sample of 662 schizophrenia proband-parent trios, we found that rare de novo CNV mutations were significantly more frequent in cases (5.1% all cases, 5.5% family history negative) compared with 2.2% among 2623 controls, confirming the involvement of de novo CNVs in the pathogenesis of schizophrenia. Eight de novo CNVs occurred at four known schizophrenia loci (3q29, 15q11.2, 15q13.3 and 16p11.2). De novo CNVs of known pathogenic significance in other genomic disorders were also observed, including deletion at the TAR (thrombocytopenia absent radius) region on 1q21.1 and duplication at the WBS (Williams-Beuren syndrome) region at 7q11.23. Multiple de novos spanned genes encoding members of the DLG (discs large) family of membrane-associated guanylate kinases (MAGUKs) that are components of the postsynaptic density (PSD). Two de novos also affected EHMT1, a histone methyl transferase known to directly regulate DLG family members. Using a systems biology approach and merging novel CNV and proteomics data sets, systematic analysis of synaptic protein complexes showed that, compared with control CNVs, case de novos were significantly enriched for the PSD proteome (P=1.72 × 10⁻⁶. This was largely explained by enrichment for members of the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) (P=4.24 × 10⁻⁶) and neuronal activity-regulated cytoskeleton-associated protein (ARC) (P=3.78 × 10⁻⁸) postsynaptic signalling complexes. In an analysis of 18 492 subjects (7907 cases and 10 585 controls), case CNVs were enriched for members of the NMDAR complex (P=0.0015) but not ARC (P=0.14). Our data indicate that defects in NMDAR postsynaptic signalling and, possibly, ARC complexes, which are known to be important in synaptic plasticity and cognition, play a significant role in the pathogenesis of schizophrenia.

Summary

 Synapses are fundamental information-processing units of the brain, and synaptic dysregulation is central to many brain disorders ("synaptopathies"). However, systematic annotation of synaptic genes and ontology of synaptic processes are currently lacking. We established SynGO, an interactive knowledge base that accumulates available research about synapse biology using Gene Ontology (GO) annotations to novel ontology terms: 87 synaptic locations and 179 synaptic processes. SynGO annotations are exclusively based on published, expert-curated evidence. Using 2,922 annotations for 1,112 genes, we show that synaptic genes are exceptionally well conserved and less tolerant to mutations than other genes. Many SynGO terms are significantly overrepresented among gene variations associated with intelligence, educational attainment, ADHD, autism, and bipolar disorder and among de novo variants associated with neurodevelopmental disorders, including schizophrenia. SynGO is a public, universal reference for synapse research and an online analysis platform for interpretation of large-scale -omics data (https://syngoportal.org and http://geneontology.org).

This study identifies proteins from the postsynaptic density (PSD) of human neocortex and finds that the PSD shows enrichment of genes involved in cognitive and affective phenotypes and that PSD mutations are associated with neurological and psychiatric disease. We isolated the postsynaptic density from human neocortex (hPSD) and identified 1,461 proteins. hPSD mutations cause 133 neurological and psychiatric diseases and were enriched in cognitive, affective and motor phenotypes underpinned by sets of genes. Strong protein sequence conservation in mammalian lineages, particularly in hub proteins, indicates conserved function and organization in primate and rodent models. The hPSD is an important structure for nervous system disease and behavior.

Abstract Hippocampal sclerosis, the major neuropathological hallmark of temporal lobe epilepsy, is characterized by different patterns of neuronal loss. The mechanisms of cell-type specific vulnerability, their progression and histopathological classification remain controversial. Here using single-cell electrophysiology in vivo and immediate early gene expression, we reveal that superficial CA1 pyramidal neurons are overactive in epileptic rats and mice in vivo . Bulk tissue and single-nucleus expression profiling disclosed sublayer-specific transcriptomic signatures and robust microglial pro-inflammatory responses. Transcripts regulating neuronal processes such as voltage-channels, synaptic signalling and cell adhesion molecules were deregulated by epilepsy differently across sublayers, while neurodegenerative signatures primarily involved superficial cells. Pseudotime analysis of gene expression in single-nuclei and in situ validation revealed separated trajectories from health to epilepsy across cell types, and identified a subset of superficial cells undergoing a later stage in neurodegeneration. Our findings indicate sublayer- and cell type-specific changes associated with selective CA1 neuronal damage contributing to progression of hippocampal sclerosis.

Abstract Electrophysiological features of excitatory synapses vary widely throughout the brain, granting neuronal circuits the ability to decode and store diverse patterns of information. Synapses formed by the same neurons have similar electrophysiological characteristics, belonging to the same type. However, these are generally confined to microscopic brain regions, precluding their proteomic analysis. This has greatly limited our ability to investigate the molecular basis of synaptic physiology. Here we introduce a procedure to characterise the proteome of individual synaptic types. We reveal a remarkable proteomic diversity among the synaptic types of the trisynaptic circuit. Differentially expressed proteins participate in well-known synaptic processes, controlling the signalling pathways preferentially used among diverse synapses. Noteworthy, all synaptic types differentially express proteins directly involved in the function of glutamate receptors. Moreover, neuron-specific gene expression programs would participate in their regulation. Indeed, genes coding for these proteins exhibit such distinct expression profiles between neuronal types that they greatly contribute to their classification. Our data is an important resource for exploring the molecular mechanisms behind electrophysiological properties of different hippocampal synaptic types. Our combined analysis of proteomics and transcriptomics data uncovers a previously unrecognised neuron-specific transcriptomic control of synaptic proteome diversity, directed towards the regulation of glutamate receptors and their regulatory proteins.

SynGAP-α1 is a splice variant of the neurodevelopmental disorder risk gene, SYNGAP1/Syngap1. α1 encodes the C-terminal PDZ binding motif (PBM) that promotes liquid-liquid phase separation, a candidate process for postsynaptic density organization within excitatory synapses. However, it remains unknown how the endogenous SynGAP PBM regulates synapse properties and related cognitive functions. We found that a major PBM function in mice is to limit the mobility of SynGAP-α1 in response to NMDA receptor activation. Genetic disruption of the PBM increased SynGAP-α1 mobility to levels consistent with other non-PBM-containing C-terminal isoforms. This resulted in a lowering of the threshold for NMDA receptor-dependent signaling required for plasticity, leading to aberrant strengthening of excitatory synapses in spontaneously active neurons. PBM-deficient animals also exhibited a lower seizure threshold, disrupted LTP, and impaired cognition. Thus, the PBM enables isoform-specific SynGAP gating of NMDA receptor function, a mechanism linking synaptic signaling dynamics to network excitability and cognition.

Summary Loss-of-function variants in SYNAGP1 cause a developmental encephalopathy defined by cognitive impairment, autistic features, and epilepsy. SYNGAP1 splicing leads to expression of distinct functional protein isoforms. Splicing imparts multiple cellular functions of SynGAP proteins through coding of distinct C-terminal motifs. However, it remains unknown how these different splice sequences function in vivo to regulate neuronal function and behavior. Reduced expression of SynGAP-α1/2 C-terminal splice variants in mice caused severe phenotypes, including reduced survival, impaired learning, and reduced seizure latency. In contrast, upregulation of α1/2 expression improved learning and increased seizure latency. Mice expressing α1-specific mutations, which disrupted SynGAP cellular functions without altering protein expression, promoted seizure, disrupted synapse plasticity, and impaired learning. These findings demonstrate that endogenous SynGAP isoforms with α1/2 spliced sequences promote cognitive function and impart seizure protection. Regulation of SynGAP-α expression or function may be a viable therapeutic strategy to broadly improve cognitive function and mitigate seizure.

The Syngap1 gene is a major regulator of synapse biology and neural circuit function. Genetic variants linked to epilepsy and intellectual disability disrupt synaptic function and neural excitability. The SynGAP protein has been involved in multiple signaling pathways and can regulate small GTPases with very different functions. Yet, the molecular bases behind this pleiotropy are poorly understood. We hypothesize that different SynGAP isoforms will mediate different sets of functions and that deciphering their spatio-temporal expression and subcellular localization will accelerate our understanding of the multiple functions performed by SynGAP. Using antibodies that detect all isoforms of SynGAP, we found that its subcellular localization changed throughout postnatal development. Consistent with previous reports, SynGAP was enriched in the postsynaptic density in the mature forebrain. However, this was age-dependent and SynGAP was predominantly found in non-synaptic locations in a period of postnatal development highly sensitive to SynGAP levels. Furthermore, we identified different expression patterns in the spatial and temporal axes for different SynGAP isoforms. Particularly noticeable was the delayed expression of SynGAP α1 isoforms, which bind to PSD-95 at the postsynaptic density, in cortex and hippocampus during the first two weeks of postnatal development. The subcellular localization of SynGAP was also isoform-dependent. While, α1 isoforms were highly enriched in the postsynaptic density, other C-terminal isoforms were less enriched or even more abundant in non-synaptic locations, particularly during the postnatal period. Thus, the regulation of expression and subcellular distribution of SynGAP isoforms may contribute to isoform-specific regulation of small GTPases, explaining SynGAP pleiotropy.