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.

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.

Abstract SYNGAP1 is a Ras-GTPase activating protein highly enriched at excitatory synapses in the brain. De novo loss-of-function mutations in SYNGAP1 are a major cause of genetically defined neurodevelopmental disorders (NDD). These mutations are highly penetrant and cause SYNGAP1 -related intellectual disability (SRID), a NDD characterized by cognitive impairment, social deficits, early-onset seizures, and sleep disturbances (1-5). Studies in rodent neurons have shown that Syngap1 regulates developing excitatory synapse structure and function (6-11), and heterozygous Syngap1 knockout mice have deficits in synaptic plasticity, learning and memory, and have seizures (9, 12-14). However, how specific SYNGAP1 mutations found in humans lead to disease has not been investigated in vivo. To explore this, we utilized the CRISPR-Cas9 system to generate knock-in mouse models with two distinct known causal variants of SRID: one with a frameshift mutation leading to a premature stop codon, SYNGAP1; L813RfsX22, and a second with a single-nucleotide mutation in an intron that creates a cryptic splice acceptor site leading to premature stop codon, SYNGAP1; c.3583-9G>A . While reduction in Syngap1 mRNA varies from 30-50% depending on the specific mutation, both models show ∼50% reduction in Syngap1 protein, have deficits in synaptic plasticity, and recapitulate key features of SRID including hyperactivity and impaired working memory. These data suggest that half the amount of SYNGAP1 protein is key to the pathogenesis of SRID. These results provide a resource to study SRID and establish a framework for the development of therapeutic strategies for this disorder. Significance Statement SYNGAP1 is a protein enriched at excitatory synapses in the brain that is an important regulator of synapse structure and function. SYNGAP1 mutations cause SYNGAP1 -related intellectual disability (SRID), a neurodevelopmental disorder with cognitive impairment, social deficits, seizures, and sleep disturbances. To explore how SYNGAP1 mutations found in humans lead to disease, we generated the first knock-in mouse models with causal SRID variants: one with a frameshift mutation and a second with an intronic mutation that creates a cryptic splice acceptor site. Both models show decreased Syngap1 mRNA and Syngap1 protein and recapitulate key features of SRID including hyperactivity and impaired working memory. These results provide a resource to study SRID and establish a framework for the development of therapeutic strategies. Highlights Two mouse models with SYNGAP1 -related intellectual disability (SRID) mutations found in humans were generated: one with a frameshift mutation that results in a premature stop codon and the other with an intronic mutation resulting in a cryptic splice acceptor site and premature stop codon. Both SRID mouse models show 35∼50% reduction in mRNA and ∼50% reduction in Syngap1 protein. Both SRID mouse models display deficits in synaptic plasticity and behavioral phenotypes found in people. RNA-seq confirmed cryptic splice acceptor activity in one SRID mouse model and revealed broad transcriptional changes also identified in Syngap1 +/- mice. Novel SRID mouse models generated here provide a resource and establish a framework for development of future therapeutic intervention.

SynGAP is a synaptic Ras GTPase-activating protein (GAP) with four C-terminal splice variants: α1, α2, β, and γ. Although recent studies have implicated SYNGAP1 haploinsufficiency in ID/ASD pathogenesis, the degree to which each SynGAP isoform contributes to disease pathogenesis remains elusive. Here we demonstrate that individual SynGAP isoforms exhibit unique spatiotemporal expression and have distinct roles in neuronal and synaptic development. The SynGAP-α1 isoform, which undergoes robust liquid-liquid phase-separation with PSD-95 and is highly-enriched in synapses, is expressed late in development and disperses from synaptic spines in response to LTP-inducing synaptic activity to allow for AMPA receptor insertion and spine enlargement. In contrast, the SynGAP-β isoform, which undergoes less liquid-liquid phase-separation with PSD95 and is less synaptically targeted, is expressed early in development and promotes dendritic arborization. Interestingly, a SynGAP-α1 mutation that disrupts phase separation and synaptic targeting abolishes its function in plasticity and instead drives dendritic arbor development like the β isoform. These results demonstrate that distinct phase separation and synaptic targeting properties of SynGAP isoforms determine their function.Highlights 1. SynGAP-α1, α2, β, γ isoforms have distinct spatiotemporal expression and function in the brain.2. SynGAP-α1 is required for plasticity, while β is required for dendritic development.3. Liquid-liquid phase separation of SynGAP-α1 is required for its role in plasticity.4. SynGAP isoforms may differentially contribute to SYNGAP1 related human NDDs.

ABSTRACT Disinhibition is an obligatory initial step in the remodeling of cortical circuits by sensory experience. Our investigation on disinhibitory mechanisms in the classical model of ocular dominance plasticity uncovered an unexpected novel form of experience-dependent circuit plasticity. In layer 2/3 of mouse visual cortex monocular deprivation triggers a complete, “all-or-none”, elimination of connections from pyramidal cells onto nearby parvalbumin-positive interneurons (Pyr➔PV). This circuit plasticity is unique as it is transient, local and discrete. It lasts only one day, and it does not manifest as widespread changes in synaptic strength, rather, only about half of local connections are lost and the remaining ones are not affected in strength. Mechanistically, the deprivation-induced loss of Pyr➔PV is contingent on a reduction of the protein neuropentraxin2 (NPTX2). Functionally, the loss of Pyr➔PV is absolutely necessary for ODP. We surmise, therefore, that this “all-or-none” loss of local Pyr➔PV circuitry gates experience-dependent cortical plasticity.