Abstract Munc18-1 forms a template to recruit and organize assembly of the SNARE complex that triggers neurotransmitter release, binding first to a closed conformation of syntaxin-1 where its N-terminal region interacts with the SNARE motif, and later binding to synaptobrevin. However, the mechanism of SNARE complex assembly remains unclear. Here we report two cryo-EM structures of Munc18-1 bound to cross-linked syntaxin-1 and synaptobrevin. The structures allow visualization of how syntaxin-1 opens and reveal how part of the syntaxin-1 N-terminal region can help nucleate interactions between the N-termini of the syntaxin-1 and synaptobrevin SNARE motifs while their C-termini bind to distal sites of Munc18-1. Mutagenesis, SNARE complex assembly assays and reconstitution experiments support a model whereby these interactions are critical to initiate SNARE complex assembly. One Sentence Summary Cryo-EM structures reveal key insights into the molecular mechanism of neuronal SNARE complex assembly templated by Munc18-1

Abstract SNARE and Sec/Munc18 proteins are essential in synaptic vesicle exocytosis. Open form t-SNARE syntaxin and UNC-18 P334A are well-studied exocytosis-enhancing mutants. Here we investigate the interrelationship between the two mutations by generating double mutants in various genetic backgrounds in C. elegans . While each single mutation rescued the motility of CAPS/unc-31 and synaptotagmin/snt-1 mutants significantly, double mutations unexpectedly worsened motility or lost their rescuing effects. Electrophysiological analysis revealed that simultaneous mutations of open syntaxin and gain-of-function P334A UNC-18 induces a strong imbalance of excitatory over inhibitory transmission. We conclude that open syntaxin and P334A UNC-18 do not have additive beneficial effects on C. elegans’ characteristics such as motility, growth, offspring bared, body size, and exocytosis. Our results also reveal unexpected differences in the regulation of exocytosis between excitatory versus inhibitory synapses.

Assembly of SNARE complexes that mediate neurotransmitter release requires opening of a closed conformation of UNC-64/syntaxin. Rescue of unc-13/Munc13 phenotypes by overexpressed open UNC-64/syntaxin suggested a specific function of UNC-13/Munc13 in opening UNC-64/ syntaxin. Here, we revisit the effects of open unc-64/syntaxin by generating knockin (KI) worms. The KI animals exhibited enhanced spontaneous and evoked exocytosis compared to wild-type animals. Unexpectedly, the open syntaxin KI partially suppressed exocytosis defects of various mutants, including snt-1/synaptotagmin, unc-2/P/Q/N-type Ca2+ channel alpha-subunit, and unc-31/CAPS in addition to unc-13/Munc13 and unc-10/RIM, and enhanced exocytosis in tom-1/Tomosyn mutants. However, open syntaxin aggravated the defects of unc-18/Munc18 mutants. Correspondingly, open syntaxin partially bypasses the requirement of Munc13 but not Munc18 for liposome fusion. Our results show that facilitating opening of syntaxin enhances exocytosis in a wide range of genetic backgrounds, and may provide a general means to enhance synaptic transmission in normal and disease states.