Neurotransmitters are released at presynaptic active zones (AZs). In the fly Drosophila, monoclonal antibody (MAB) nc82 specifically labels AZs. We employ nc82 to identify Bruchpilot protein (BRP) as a previously unknown AZ component. BRP shows homology to human AZ protein ELKS/CAST/ERC, which binds RIM1 in a complex with Bassoon and Munc13-1. The C terminus of BRP displays structural similarities to multifunctional cytoskeletal proteins. During development, transcription of the bruchpilot locus (brp) coincides with neuronal differentiation. Panneural reduction of BRP expression by RNAi constructs permits a first functional characterization of this large AZ protein: larvae show reduced evoked but normal spontaneous transmission at neuromuscular junctions. In adults, we observe loss of T bars at active zones, absence of synaptic components in electroretinogram, locomotor inactivity, and unstable flight (hence “bruchpilot”—crash pilot). We propose that BRP is critical for intact AZ structure and normal-evoked neurotransmitter release at chemical synapses of Drosophila.

The molecular organization of presynaptic active zones during calcium influx–triggered neurotransmitter release is the focus of intense investigation. The Drosophila coiled-coil domain protein Bruchpilot (BRP) was observed in donut-shaped structures centered at active zones of neuromuscular synapses by using subdiffraction resolution STED (stimulated emission depletion) fluorescence microscopy. At brp mutant active zones, electron-dense projections (T-bars) were entirely lost, Ca 2+ channels were reduced in density, evoked vesicle release was depressed, and short-term plasticity was altered. BRP-like proteins seem to establish proximity between Ca 2+ channels and vesicles to allow efficient transmitter release and patterned synaptic plasticity.

Synaptic vesicles fuse at active zone (AZ) membranes where Ca(2+) channels are clustered and that are typically decorated by electron-dense projections. Recently, mutants of the Drosophila melanogaster ERC/CAST family protein Bruchpilot (BRP) were shown to lack dense projections (T-bars) and to suffer from Ca(2+) channel-clustering defects. In this study, we used high resolution light microscopy, electron microscopy, and intravital imaging to analyze the function of BRP in AZ assembly. Consistent with truncated BRP variants forming shortened T-bars, we identify BRP as a direct T-bar component at the AZ center with its N terminus closer to the AZ membrane than its C terminus. In contrast, Drosophila Liprin-alpha, another AZ-organizing protein, precedes BRP during the assembly of newly forming AZs by several hours and surrounds the AZ center in few discrete punctae. BRP seems responsible for effectively clustering Ca(2+) channels beneath the T-bar density late in a protracted AZ formation process, potentially through a direct molecular interaction with intracellular Ca(2+) channel domains.

ABSTRACT Brain function relies on neurotransmission which is stabilized by presynaptic homeostatic potentiation (PHP). PHP operates on time scales ranging from minute- to life-long adaptations and likely involves reorganization of presynaptic active zones (AZs). At Drosophila melanogaster neuromuscular junctions, earlier work ascribed AZ enlargement by incorporating more Bruchpilot (Brp) scaffold protein a central mechanistic role in PHP. We used localization microscopy ( direct stochastic optical reconstruction microscopy, d STORM) and hierarchical density-based spatial clustering of applications with noise (HDBSCAN) to study AZ plasticity during PHP. We found that both acute, philanthotoxin (PhTx)-induced and chronic, genetically-induced PHP lead to compaction of individual AZs without altering Brp copy numbers per AZ. This compaction even occurs within Brp subclusters of the AZ scaffold which also move towards AZ centers. Furthermore, lowering imaging resolution revealed how AZ compaction in PHP translates into apparent increases in AZ area and Brp protein content as implied earlier. Our results suggest AZ compaction in PHP as an effective mechanism to raise presynaptic protein density and transmitter release. SIGNIFICANCE STATEMENT Homeostatic plasticity stabilizes chemical synaptic transmission in multiple organisms ranging from insects to humans. Changes in active zones (AZs), membrane specializations of the presynapse where synaptic vesicles are discharged, are thought to be crucial in homeostatic adaptations. AZ growth by protein incorporation was proposed as a core mechanism in presynaptic homeostatic potentiation (PHP). Localization microscopy of an abundant AZ scaffold protein uncovered that instead of growing, AZs are compacted in acute and chronic PHP. At lower imaging resolution, however, AZs appear larger and brighter although protein numbers are not increased. In summary, our findings suggest AZ compaction as new and effective mechanism to raise presynaptic protein density and transmitter release in PHP.

SUMMARY Presynaptic forms of plasticity occur throughout the nervous system and play an important role in learning and memory but the underlying molecular mechanisms are insufficiently understood. Here we show that the small GTPase Rab3 is a key mediator of cyclic AMP (cAMP)-induced presynaptic plasticity in Drosophila . Pharmacological and optogenetic cAMP production triggered concentration-dependent alterations of synaptic transmission, including potentiation and depression of evoked neurotransmitter release, as well as strongly facilitated spontaneous release. These changes correlated with a nanoscopic rearrangement of the active zone protein Unc13A and required Rab3. To link these results to animal behaviour, we turned to the established role of cAMP signalling in memory formation and demonstrate that Rab3 is necessary for olfactory learning. As Rab3 is dispensable for basal synaptic transmission, these findings highlight a molecular pathway specifically dedicated to tuning neuronal communication and adaptive behaviour.

Abstract Pre- and postsynaptic forms of long-term potentiation (LTP) are candidate synaptic mechanisms underlying learning and memory. At layer 5 pyramidal neurons LTP increases the initial synaptic strength but also short-term depression during high-frequency transmission. This classical form of presynaptic LTP has been referred to as redistribution of synaptic efficacy. However, the underlying mechanisms remain unclear. We therefore performed whole-cell recordings from layer 5 pyramidal neurons in acute cortical slices of rats and analyzed presynaptic function before and after LTP induction by paired pre- and postsynaptic neuronal activity. LTP was successfully induced in about half of the synaptic connections tested and resulted in increased synaptic depression during high-frequency transmission and a decelerated recovery from depression due to an increased occurrence of a slow recovery component. Analysis with a recently established sequential two-step vesicle priming model indicates an increase in the abundance of fully-primed and slowly-recovering vesicles. A systematic analysis of short-term plasticity and synapse-to-synapse variability of synaptic strength at various types of synapses revealed that stronger synapses generally recover more slowly from synaptic depression. Finally, pharmacological stimulation of the cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and diacylglycerol (DAG) signaling pathways, which are both known to promote synaptic vesicle priming mimicked electrically-induced LTP and slowed the recovery from depression. Our data thus demonstrate that LTP at layer 5 pyramidal neurons increases synaptic strength primarily by enlarging a subpool of fully-primed slowly-recovering vesicles.

Abstract To survive, animals must recognize reoccurring stimuli. A key requirement for repeated identification of stimuli is reliable representation by the neural code on each encounter. Synaptic transmission underlies neural codes propagation between brain regions. A hallmark of chemical synapses is their plasticity, which enables signal transfer to be modified in an activity-dependent manner. Despite many decades of intense research on synapses, it remains unclear how the plastic features of synaptic transmission can maintain reliable neural coding. By studying the olfactory system of Drosophila melanogaster , we aimed to obtain a deeper mechanistic understanding of how synaptic function shapes neural coding reliability in the live, behaving animal. We show that the properties of the active zone (AZ), the presynaptic site of neurotransmitter release, are critical for generating a reliable neural code. Reducing neurotransmitter release probability specifically at AZs of olfactory sensory neurons disrupted both neural coding and behavioral reliability. Strikingly, these defects were rescued within a day by target-specific synaptic plasticity, whereby a homeostatic increase in the number of AZs compensated the drop in release probability. These findings demonstrate an important role for synaptic plasticity in maintaining neural coding reliability and are of pathophysiological interest by uncovering an elegant mechanism through which the neural circuitry can counterbalance perturbations.

Information processing by the nervous system depends on the release of neurotransmitter from synaptic vesicles (SVs) at the presynaptic active zone. Molecular components of the cytomatrix at the active zone (CAZ) regulate the final stages of the SV cycle preceding exocytosis and thereby shape the efficacy and plasticity of synaptic transmission. Part of this regulation is reflected by a physical association of SVs with filamentous CAZ structures. However, our understanding of the protein interactions underlying SV tethering by the CAZ is far from complete. The very C-terminal region of Bruchpilot (Brp), a key component of the Drosophila CAZ, participates in SV tethering. Yet so far, no vesicular or cytoplasmic molecules have been reported to engage in an interaction with Brp's C-terminus. Here, we carried out an in vivo screen for molecules that link the Brp C-terminus to SVs. This strategy identified the conserved SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor (NSF) attachment protein receptor) regulator Complexin (Cpx) as a vesicular interaction partner of Brp. We show that Brp and Cpx interact genetically and functionally. Interfering with Cpx targeting to SVs mirrored distinctive features of a C-terminal Brp truncation: impaired SV recruitment to the CAZ and enhanced short-term synaptic depression. Extending the study beyond Drosophila synapses, we interrogated active zones of mouse rod bipolar cells. Here, too, we collected evidence for an evolutionarily conserved role of Cpx upstream of SNARE complex assembly where it participates in SV tethering to the CAZ.

Abstract The use of the first in class proteasome inhibitor Bortezomib (BTZ) is highly effective in the treatment of multiple myeloma. However, it’s long-term use is limited by the fact, that most treated patients develop dose limiting painful polyneuropathy. In some of the treated patients, pain resolves after variable timeframes, in others it persists, despite the discontinuation of treatment, with the underlying mechanisms poorly understood. One condition of neural toxicity is the ability to penetrate the blood nerve barrier. Here we present pathways involved in early bortezomib-induced polyneuropathy (BIPN) development and its resolution, in rats and in myeloma patients. One cycle of BTZ elicited transient mechanical hyperalgesia and cold allodynia in rats. Transcriptomic signature and network analysis revealed regulation of circadian, extracellular matrix, and immune genes within the nerve and modest changes in the dorsal root ganglia. Recovery processes resealed the small molecule leakiness of the perineurial barrier, reversed axonal swelling, and normalized small fiber density in the skin. Expression of the microtubule-associated cytoskeletal protein cortactin matched this process in the perineurium. Netrin-1 (Ntn1) as a known barrier sealer was also upregulated in pain resolution in nerve and skin. In patients with painful BIPN skin NTN1 was independent of axonal damage. In summary, our data demonstrate that early BTZ toxicity targets mainly the nerve and indicates that pain resolution could be supported by protective growth factors like Ntn1 for remodeling of the extracellular matrix and neuronal barriers. Summary Bortezomib leads to dose-limiting painful polyneuropathy. Already in the first cycle, BTZ toxicity weakens the blood nerve barrier which reseals upon upregulation of netrin-1.

Patients with autoantibodies (aAbs) against the contactin-associated protein-like 2 (CASPR2) suffer from a variety of clinical syndromes including neuropathic pain, in some patients even as the only symptom. CASPR2 is an adhesion protein of the neurexin IV family and part of the voltage-gated potassium channel complex (VGKC) in neurons of dorsal root ganglia (DRG). The subsequent pathological mechanisms following the binding of CASPR2 aAbs and their association with pain are only partially understood. CASPR2 aAbs are mainly of the IgG4 subclass. Previous studies have neglected subclass- dependent effects. Here we investigated 49 subclassified patient serum samples positive for CASPR2 aAbs. To unravel underlying molecular mechanisms, we used a combination of super-resolution lattice structural illumination microscopy (SIM2) and functional readouts by calcium imaging and electrophysiological recordings. CASPR2-positive patient sera subclassified in IgG4 together with at least one other IgG subclass (IgGX) and patients with only IgG4 were further subdivided into the pain and no pain group. Patient subclassification shed further light on the pathological mechanisms of CASPR2 aAbs. A decrease of CASPR2 expression after long-term exposure to CASPR2 aAbs was only observed for the patient group without pain. Upon withdrawal of the CASPR2 aAbs, CASPR2 expression returned to normal level. Structural alterations were obtained by increased distances between CASPR2 and associated potassium channels along DRG axons using high-resolution lattice SIM2 microscopy but only following binding of CASPR2 aAbs from patients with pain. Similarly, CASPR2 aAbs of patients with pain significantly increased overall neuronal excitability of cultured DRG neurons as measured by calcium imaging. Patch-clamp recordings revealed significantly decreased current amplitudes of voltage-gated potassium (Kv) channels after incubation with all four CASPR2 aAbs subclassifications with the most prominent effect of serum samples harboring IgG4 aAbs. Notably, a patient serum sample lacking IgG4 did not alter Kv channel function. Withdrawal of aAbs rescued Kv channel function to normal levels suggesting that the affected potassium channel function is rather due to a functional block of the VGKC rather than altered structural integrity of the VGKC. Taken together, we found IgG4 aAbs to be a major modifier of potassium channel function. The increase in DRG excitability is primarily due to impaired Kv channel conductance as a consequence of CASPR2 aAbs binding but additional and so far unidentified signal pathways contribute to this process in patients with neuropathic pain.