Abstract An individual neuron hosts up to 10,000 individual synapses that can be made stronger or weaker by local and cell-wide plasticity mechanisms, both of which require protein synthesis. To address over what spatial scale a neuron allocates synaptic resources, we quantified the distribution of newly synthesized proteins after global homeostatic upscaling using metabolic labeling and single-molecule localization (DNA-PAINT). Following upscaling, we observed a global increase in locally synthesized nascent protein in synapses and at dendrites, with a high degree of variability between individual synapses. We determined the smallest spatial scale over which nascent proteins were evenly distributed and found that it is best described by synaptic neighborhoods (~ 10 microns in length)-smaller than a dendritic branch and larger than an individual synapse. Protein allocation at the level of neighborhoods thus represents a solution to the problem of protein allocation within a neuron that balances local autonomy and global homeostasis.

Abstract The major protein-degradation machine, the proteasome, functions at brain synapses and regulates long-term information storage. Here we found that the two essential subcomplexes of the proteasome, the regulatory (19S) and catalytic (20S) particles that recognize and degrade substrates, are differentially distributed within individual rat cortical neurons. Using superresolution microscopy, we discovered a surprising abundance of free particles (19S) near synapses. The free neuronal 19S particles bind and deubiquitylate Lys63-ubiquitin, a non-proteasome targeting ub-linkage. Pull-down assays revealed a significant over-representation of synaptic molecules as Lys63 interactors. Inhibition of 19S deubiquitylase activity significantly altered excitatory synaptic transmission and reduced the synaptic availability of AMPA receptors at multiple trafficking points in a proteasome-independent manner. Together, these results reveal a moonlighting function of the regulatory proteasomal subcomplex near synapses. One-Sentence Summary The 19S subcomplex of the major protein-degradation machine, the proteasome, functions without its 20S partner to populate and regulate synapses.

Abstract Single-molecule localization microscopy resolves objects below the diffraction limit of light via sparse, stochastic detection of target molecules. Single molecules appear as clustered detection events after image reconstruction. However, identification of clusters of localizations is often complicated by the spatial proximity of target molecules and by background noise. Clustering results of existing algorithms often depend on user-generated training data or user-selected parameters, which can lead to unintentional clustering errors. Here we suggest an unbiased algorithm (FINDER) based on adaptive global parameter selection and demonstrate that the algorithm is robust to noise inclusion and target molecule density. We benchmarked FINDER against the most common density based clustering algorithms in test scenarios based on experimental datasets. We show that FINDER can keep the number of false positive inclusions low while also maintaining a low number of false negative detections in densely populated regions.