Mice carrying a mutation in the synaptotagmin I gene were generated by homologous recombination. Mutant mice are phenotypically normal as heterozygotes, but die within 48 hr after birth as homozygotes. Studies of hippocampal neurons cultured from homozygous mutant mice reveal that synaptic transmission is severely impaired. The synchronous, fast component of Ca2+-dependent neurotransmitter release is decreased, whereas asynchronous release processes, including spontaneous synaptic activity (miniature excitatory postsynaptic current frequency) and release triggered by hypertonic solution or α-latrotoxin, are unaffected. Our findings demonstrate that synaptotagmin I function is required for Ca2+-triggering of synchronous neurotransmitter release, but is not essential for asynchronous or Ca2+-independent release. We propose that synaptotagmin I is the major low affinity Ca2+ sensor mediating Ca2+ regulation of synchronous neurotransmitter release in hippocampal neurons.

Research Article1 February 1993free access Rab9 functions in transport between late endosomes and the trans Golgi network. D. Lombardi D. Lombardi Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author T. Soldati T. Soldati Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author M.A. Riederer M.A. Riederer Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author Y. Goda Y. Goda Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author M. Zerial M. Zerial Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author S.R. Pfeffer S.R. Pfeffer Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author D. Lombardi D. Lombardi Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author T. Soldati T. Soldati Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author M.A. Riederer M.A. Riederer Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author Y. Goda Y. Goda Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author M. Zerial M. Zerial Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author S.R. Pfeffer S.R. Pfeffer Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author Author Information D. Lombardi1, T. Soldati1, M.A. Riederer1, Y. Goda1, M. Zerial1 and S.R. Pfeffer1 1Department of Cell Biology, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. The EMBO Journal (1993)12:677-682https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1993.tb05701.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Rab proteins represent a large family of ras-like GTPases that regulate distinct vesicular transport events at the level of membrane targeting and/or fusion. We report here the primary sequence, subcellular localization and functional activity of a new member of the rab protein family, rab9. The majority of rab9 appears to be located on the surface of late endosomes. Rab9, purified from Escherichia coli strains expressing this protein, could be prenylated in vitro in the presence of cytosolic proteins and geranylgeranyl diphosphate. In vitro-prenylated rab9 protein, but not C-terminally truncated rab9, stimulated the transport of mannose 6-phosphate receptors from late endosomes to the trans Golgi network in a cell-free system that reconstitutes this transport step. Rab7, a related rab protein that is also localized to late endosomes, was inactive in the in vitro transport assay, despite its efficient prenylation and capacity to bind and hydrolyze GTP. These results strongly suggest that rab9 functions in the transport of mannose 6-phosphate receptors between late endosomes and the trans Golgi network. Moreover, our results confirm the observation that a given organelle may bear multiple rab proteins with different biological functions. Previous ArticleNext Article Volume 12Issue 21 February 1993In this issue RelatedDetailsLoading ...

After the arrival of a presynaptic nerve impulse at an excitatory synapse in hippocampal neurons, the rate of neurotransmitter release increases rapidly and then returns to low levels with a biphasic decay. The two kinetically distinct components are differentially affected when Sr2+ is substituted for Ca2+ ions. Our findings are comparable to those of the classical studies for the frog neuromuscular junction, and thus the basic aspects of Ca(2+)-activated transmitter release machinery appear to be conserved in central synapses. The method we have used, in addition, permits us to estimate the average neurotransmitter release rate for a single bouton. The observation of differential Ca2+/Sr2+ sensitivity is consistent with a release mechanism mediated by two Ca2+ sensors with distinct Ca2+ affinities: the low-affinity Ca2+ sensor facilitates the fast synchronous phase of release, whereas the high-affinity sensor sustains the slow asynchronous phase of release.

Abstract

 Calcium-phospholipid-dependent protein kinase (PKC) has long been suggested to play an important role in modulating synaptic efficacy. We have created a strain of mice that lacks the γ subtype of PKC to evaluate the significance of this brain-specific PKC isozyme in synaptic plasticity. Mutant mice are viable, develop normally, and have synaptic transmission that is indistinguishable from wild-type mice. Long-term potentiation (LTP), however, is greatly diminished in mutant animals, while two other forms of synaptic plasticity, long-term depression and paired-pulse facilitation, are normal. Surprisingly, when tetanus to evoke LTP was preceded by a low frequency stimulation, mutant animals displayed apparently normal LTP. We propose that PKCγ is not part of the molecular machinery that produces LTP but is a key regulatory component.

The Rab family of low-molecular-mass GTP-binding proteins are thought to guide membrane fusion between a transport vesicle and the target membrane, and to determine the specificity of docking1,2,3. The docking and fusion of vesicles is, however, a complex multistep reaction, and the precise point at which Rab proteins act in these sequential processes is unknown. In brain, the Rab protein Rab3A is specific to synaptic vesicles, whose exocytosis can be monitored with submillisecond resolution by following synaptic transmission. We have now determined the precise point at which Rab3A acts in the sequence of synaptic vesicle docking and fusion by using electrophysiological analysis of neurotransmitter release in Rab3A-deficient mice. Unexpectedly, the size of the readily releasable pool of vesicles is normal, whereas Ca2+-triggered fusion is altered in the absence of Rab3A in that a more-than-usual number of exocytic events occur within a brief time after arrival of the nerve impulse.

Abstract Neurons receive thousands of inputs onto their dendritic arbour, where individual synapses undergo activitydependent changes in strength. The durable forms of synaptic strength change, long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) require calcium entry through N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) that triggers downstream protein signalling cascades in the dendrite. Notably, changes in postsynaptic strengths associated with LTP and LTD are correlated to changes in spine head volume, referred to as structural LTP (sLTP) and structural LTD (sLTD). Intriguingly, LTP and LTD, including sLTP and sLTD, are not necessarily restricted to the active, targeted synapses (homosynapses), and the changes in synaptic strength can spread and affect the strengths of inactive or non-stimulated synapses (heterosynapses) on the same cell. Moreover, the plasticity outcome at both homo- and heterosynapses can depend on the number of stimulated sites when eliciting multi-spine plasticity. Precisely how neurons allocate resources for implementing the changes in strength at individual synapses depending on their proximity to input activity across space and time remains an open question. In order to gain insights into the elementary processes underlying multi-spine plasticity that engages both homosynaptic and heterosynaptic changes, we have combined experimental and mathematical modelling approaches. On the one hand, we used glutamate uncaging to precisely and systematically stimulate variable numbers of homosynapses sharing the same dendritic branch whilst monitoring tens of other heterosynapses on the same dendrite. Homosynaptic potentiation of clusters of dendritic spines leads to heterosynaptic changes that are dependent on NMDAR, CaMKII and calcineurin. On the other hand, inspired by the Ca 2+ levels hypothesis where different amounts of Ca 2+ lead to either growth or shrinkage of spines, we have built a model based on a dual-role Ca 2+ -dependent protein that induces sLTP or sLTD. Comparing our experimental results with model predictions, we find that (i) both collaboration and competition among spines for protein resources are key drivers of heterosynaptic plasticity and (ii) the temporal and spatial distance between simultaneously stimulated spines impact the resulting spine dynamics. Moreover, our model can reconcile disparate experimental reports of sLTP and sLTD at homo- and heterosynaptic spines. Our results provide a quantitative description of the heterosynaptic footprint over minutes and hours post-stimulation across tens of microns of dendritic space. This broadens our knowledge about the operation of non-linear dendritic summation rules and how they impact spiking decisions.

Summary Experience-dependent plasticity is a key feature of brain synapses for which neuronal N-Methyl-D-Aspartate receptors (NMDARs) play a major role, from developmental circuit refinement to learning and memory. Astrocytes also express NMDARs although their exact function has remained controversial. Here we identify a circuit function for GluN2C NMDAR, a subtype highly expressed in astrocytes, in layer-specific tuning of synaptic strengths in mouse hippocampal CA1 pyramidal neurons. Interfering with astrocyte NMDAR or GluN2C NMDAR activity reduces the range of presynaptic strength distribution specifically in the stratum radiatum inputs without an appreciable change in the mean presynaptic strength. Mathematical modeling shows that narrowing of the width of presynaptic release probability distribution compromises the expression of long-term synaptic plasticity. Our findings suggest a novel feedback signaling system that uses astrocyte GluN2C NMDARs to adjust basal synaptic weight distribution of Schaffer collateral inputs, which in turn impacts computations performed by the CA1 pyramidal neuron.

Summary Dendrites are crucial for integrating incoming synaptic information. Individual dendritic branches are thought to constitute a signal processing unit, yet how neighbouring synapses shape the boundaries of functional dendritic units are not well understood. Here we addressed the cellular basis underlying the organization of the strengths of neighbouring Schaffer collateral-CA1 synapses by optical quantal analysis and spine size measurements. Inducing potentiation at clusters of spines produced NMDA receptor-dependent heterosynaptic plasticity. The direction of postsynaptic strength change showed distance-dependency to the stimulated synapses where proximal synapses predominantly depressed whereas distal synapses potentiated; potentiation and depression were regulated by CaMKII and calcineurin, respectively. By contrast, heterosynaptic presynaptic plasticity was confined to weakening of presynaptic strength of nearby synapses, which required CaMKII and the retrograde messenger nitric oxide. Our findings highlight the parallel engagement of multiple signalling pathways, each with characteristic spatial dynamics in shaping the local pattern of synaptic strengths.

Abstract Investigating the molecular composition across neural compartments such as axons, dendrites, or synapses is critical for our understanding of learning and memory. State-of-the-art microscopy techniques can now resolve individual molecules and pinpoint their position with micrometre or even nanometre resolution across tens or hundreds of micrometres, allowing the labelling of multiple structures of interest simultaneously. Algorithmically, tracking individual molecules across hundreds of micrometres and determining whether they are inside any cellular compartment of interest can be challenging. Historically, microscopy images are annotated manually, often using multiple software packages to detect fluorescence puncta (e.g. labelled mRNAs) and then trace and quantify cellular compartments of interest. Advanced ANN-based automated tools, while powerful, are often able to help only with selected parts of the data analysis pipeline, may be optimised for specific spatial resolutions or cell preparations or may not be fully open source and open access to be sufficiently customisable. To address these challenges, we developed SpyDen. SpyDen is a Python package based upon three principles: i) ease of use for multi-task scenarios, ii) open-source accessibility and data export to a common, open data format, iii) the ability to edit any software-generated annotation and generalise across spatial resolutions. Equipped with a graphical user interface and accompanied by video tutorials, SpyDen provides a collection of powerful algorithms that can be used for neurite and synapse detection as well as fluorescent puncta and intensity analysis. We validated SpyDen using expert annotation across numerous use cases to prove a powerful, integrated platform for efficient and reproducible molecular imaging analysis.

Abstract Our brains continuously acquire and store memories through synaptic plasticity. However, spontaneous synaptic changes can also occur and pose a challenge for maintaining stable memories. Despite fluctuations in synapse size, recent studies have shown that key population-level synaptic properties remain stable over time. This raises the question of how local synaptic plasticity affects the global population-level synaptic size distribution and whether individual synapses undergoing plasticity escape the stable distribution to encode specific memories. To address this question, we (i) studied spontaneously evolving spines and (ii) induced synaptic potentiation at selected sites while observing the spine distribution pre- and post-stimulation. We designed a stochastic model to describe how the current size of a synapse affects its future size under baseline and stimulation conditions and how these local effects give rise to population-level synaptic shifts. Our study offers a new understanding of how seemingly spontaneous synaptic fluctuations and local plasticity both contribute to population-level synaptic dynamics.