SUMMARY The nanoscopic organization and regulation of individual molecular components in presynaptic varicosities of neurons releasing modulatory volume neurotransmitters like dopamine (DA) remain largely elusive. Here we show by application of several super-resolution microscopy techniques to cultured neurons and mouse striatal slices, that the dopamine transporter (DAT), a key protein in varicosities of dopaminergic neurons, exists in the membrane in dynamic equilibrium between an inward-facing nanodomain-localized and outward-facing unclustered configuration. The balance between these configurations is inversely regulated by excitatory drive and by DA D2-autoreceptor activation in manner dependent on Ca 2+ -influx via N-type voltage-gated Ca 2+ -channels. The DAT nanodomains contain tens of transporters molecules and overlap with nanodomains of PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) but show little overlap with D2-autoreceptor, syntaxin-1 and clathrin nanodomains. Summarized, the data reveal a mechanism for rapid alterations in nanoscopic DAT distribution and show a striking link of this to the conformational state of the transporter.

Abstract Organic cation transporters (OCTs) facilitate the translocation of catecholamines and xenobiotics across the plasma membrane in various tissues throughout the human body. OCT3 plays a key role in low-affinity, high-capacity uptake of monoamines in most tissues including heart, brain and liver. Its deregulation plays a role in diseases. Despite its importance, the structural basis of OCT3 function and its inhibition has remained enigmatic. Here we describe the cryo-EM structure of human OCT3 at 3.2 Å resolution. Structures of OCT3 bound to two inhibitors, corticosterone and decynium-22, define the ligand binding pocket and reveal common features of major facilitator transporter inhibitors. In addition, we relate the functional characteristics of an extensive collection of previously uncharacterized human genetic variants to structural features, thereby providing a basis for understanding the impact of OCT3 polymorphisms.

Abstract Dopamine serves an important role in supporting both locomotor control and higher brain functions such as motivation and learning. Dopaminergic dysfunction is implicated in an equally multidimensional spectrum of neurological and neuropsychiatric diseases. Extracellular dopamine levels are known to be tightly controlled by presynaptic dopamine transporters (DAT), which is also a main target of psychostimulants. Still, detailed data on dopamine dynamics in space and time is needed to fully understand how dopamine signals are encoded and translated into cellular and behavioral responses, and to uncover the pathological effects of dopamine-related diseases. The recently developed genetically encoded fluorescent dopamine sensors enable unprecedented monitoring of dopamine dynamics and have changed the field of in vivo dopamine recording. However, the potential of these sensors to be used for in vitro and ex vivo assays remains unexplored. Here, we demonstrate a generalizable blueprint for making “sniffer” dopamine cells for multimodal detection of dopamine in vitro and ex vivo . We generated sniffer cell lines with inducible expression of six different dopamine sensors and performed a head-to-head comparison of sensor properties to guide users in sensor selection. In proof-of-principle experiments, we show how the sniffer cells can be applied to measure release of endogenous dopamine from cultured neurons and striatal slices, and for determining total dopamine content in striatal tissue. Furthermore, we use the sniffer cells to quantify DAT-mediated dopamine uptake, and AMPH-induced and constitutive dopamine efflux as a radiotracer free, high-throughput alternative to electrochemical- and radiotracer-based assays. Importantly, the sniffer cells framework can readily be applied to other transmitter systems for which the list of genetically encoded fluorescent sensors is rapidly growing.

Abstract Dual-color single-molecule localization microscopy (SMLM) provides unprecedented possibilities for detailed studies of colocalization of different molecular species in a cell. However, the informational richness of the data is not fully exploited by current analysis tools that often reduce colocalization to a single value. Here, we describe a new tool specifically designed for determination of co-localization in both 2D and 3D from SMLM data. The approach uses a novel function that describes the relative enrichment of one molecular species on the density distribution of a reference species. The function reframes the question of colocalization by providing a density-context relevant to multiple biological questions. Moreover, the function visualize enrichment (i.e. colocalization) directly in the images for easy interpretation. We demonstrate the approach’s functionality on both simulated data and cultured neurons, and compare it to current alternative measures. The method is available in a Python function for easy and parameter-free implementation.

Abstract Dopaminergic dysfunction is central to movement disorders and mental diseases. The dopamine transporter (DAT) is essential for the regulation of extracellular dopamine but the genetic and mechanistic link between DAT function and dopamine-related pathologies remains elusive. Particularly, the pathophysiological significance of monoallelic missense mutations in DAT is unknown. Here we identify a novel coding DAT variant, DAT-K619N, in a patient with early-onset parkinsonism and comorbid neuropsychiatric disease and in 22 individuals from exome-sequenced samples of neuropsychiatric patients. The variant localizes to the critical C-terminal PDZ-binding motif of DAT and causes reduced uptake capacity, decreased surface expression, and accelerated turnover of DAT in vitro . In vivo , we demonstrate that expression of DAT-K619N in mice and dropsophila imposes impairments in dopamine transmission with accompanying changes in dopamine-directed behaviors. Importantly, both cellular studies and viral overexpression of DAT-K619N in mice show that DAT-K619N has a dominant-negative effect which collectively implies that a single dominant-negative genetic DAT variant can confer risk for neuropsychiatric disease and neurodegenerative early-onset parkinsonism.