Summary

 Synapses are fundamental information-processing units of the brain, and synaptic dysregulation is central to many brain disorders ("synaptopathies"). However, systematic annotation of synaptic genes and ontology of synaptic processes are currently lacking. We established SynGO, an interactive knowledge base that accumulates available research about synapse biology using Gene Ontology (GO) annotations to novel ontology terms: 87 synaptic locations and 179 synaptic processes. SynGO annotations are exclusively based on published, expert-curated evidence. Using 2,922 annotations for 1,112 genes, we show that synaptic genes are exceptionally well conserved and less tolerant to mutations than other genes. Many SynGO terms are significantly overrepresented among gene variations associated with intelligence, educational attainment, ADHD, autism, and bipolar disorder and among de novo variants associated with neurodevelopmental disorders, including schizophrenia. SynGO is a public, universal reference for synapse research and an online analysis platform for interpretation of large-scale -omics data (https://syngoportal.org and http://geneontology.org).

Abstract DNA-methylation is a crucial epigenetic mark for activity-dependent gene expression in neurons. Very little is known how synaptic signals impact promoter methylation in neuronal nuclei. In this study we show that protein levels of the principal de novo DNA-methyltransferase in neurons, DNMT3a1, are tightly controlled by activation of N-methyl-D-aspartate receptors (NMDAR) containing the GluN2A subunit. Interestingly, synaptic NMDAR drive degradation of the methyltransferase in a neddylation-dependent manner. Inhibition of neddylation, the conjugation of the small ubiquitin-like protein NEDD8 to lysine residues, interrupts degradation of DNMT3a1 and results in deficits of promoter methylation of activity-dependent genes, synaptic plasticity as well as memory formation. In turn, the underlying molecular pathway is triggered by the induction of synaptic plasticity and in response to object location learning. Collectively the data show that GluN2A containing NMDAR control synapse-to-nucleus signaling that links plasticity-relevant signals to activity-dependent DNA-methylation involved in memory formation.

Abstract Members of the SH3- and ankyrin-rich repeat (SHANK) protein family are considered as master scaffolds of the post-synaptic density of glutamatergic synapses. Several missense mutations within the canonical SHANK3 isoform have been proposed as causative for the development of autism spectrum disorders (ASDs). However, there is a surprising paucity of data linking missense mutation-induced changes in protein structure and dynamics to the occurrence of ASD-related synaptic phenotypes. In this work, we focus on two ASD-associated point mutations, both located within the same domain of SHANK3. In a proof-of-principle study we demonstrate that both mutant proteins show indeed distinct changes in secondary and tertiary structure as well as higher conformational fluctuations. Local and surprisingly also distal structural disturbances of protein folding result in altered synaptic targeting and changes of protein turnover at synaptic sites.

Abstract Generalization is a critical feature of aversive memories and significantly contributes to post-traumatic stress disorder (PTSD) pathogenesis. While fear memories over time tend to generalize across differences in the contextual background and even to novel contextual settings, this effect can be counteracted by exposure to controlled reminder sessions even at remote time points. Using Pavlovian fear conditioning in mice, we show that generalization to a novel context of remote memory is associated with a loss of cellular engram activation in the dorsal dentate gyrus (dDG) and can be effectively counteracted by a preceding contextual reminder session. In addition to engram cells activation in response to a novel context, the reminder session also leads to a recovery of neuropeptide Y (NPY) function in the dDG and dDG-CA3 neurotransmission. In line with a proposed role of NPY as a resilience factor, we found that chronic viral knockdown of NPY in the dDG and blockage of its activity-dependent expression in NPYergic dDG interneurons with dominant-negative CREB S133A both increase remote memory generalization. With chemogenetic silencing of these interneurons, we could localize their critical involvement to a time window during and immediately following the fear memory acquisition. Together, these findings suggest that NPYergic interneurons of the dDG, shaping the memory engram during fear learning and early consolidation, determine fear generalization.

ABSTRACT Jacob is a synapto-nuclear messenger protein that encodes and transduces the origin of synaptic and extrasynaptic NMDA receptor signals to the nucleus. The protein assembles a signalosome that differs in case of synaptic or extrasynaptic NMDAR activation. Following nuclear import Jacob docks these signalosomes to the transcription factor CREB. We have recently shown that amyloid-beta and extrasynaptic NMDAR activation triggers the translocation of a Jacob signalosome that results in inactivation of the transcription factor CREB, a phenomenon termed Jacob-induced CREB shut-off (JaCS). JaCS contributes to early Alzheimer’s disease pathology and a gene knockout of nsmf, the gene encoding Jacob, protects against amyloid pathology. Given that extrasynaptic activity is also involved in acute excitotoxicity, like in stroke, we asked whether nsmf gene knockout will also protect against acute insults, like oxygen and glucose deprivation and excitotoxic NMDA stimulation. Here we show that organotypic hippocampal slices from wild-type and nsmf -/- mice display similar degrees of degeneration when exposed to either oxygen glucose deprivation or 50 µM NMDA incubation. This lack of neuroprotection indicates that JaCS is mainly relevant in conditions of low level chronic extrasynaptic NMDAR activation that results in cellular degeneration induced by alterations in gene transcription.

Amphisomes are transient organelles that derive from fusion of autophagosomes with late endosomes. They rapidly transform into degradative autolysosomes, whereas non-degradative roles of the autophagic pathway have been barely described. Here we show that in neurons BDNF/TrkB receptor bearing Rab7 / Light chain 3 (LC3) - positive amphisomes signal at presynaptic boutons during retrograde trafficking to the soma. Local signaling and inward transport essentially require the Rap GTPase-activating (RapGAP) protein SIPA1L2, which directly binds to TrkB and Snapin to connect TrkB-containing amphisomes to dynein. Association with LC3 regulates the RapGAP activity of SIPA1L2 and thereby retrograde trafficking. Following induction of presynaptic plasticity amphisomes dissociate from dynein at boutons, and this enables local signaling and promotes transmitter release. Accordingly, sipa1l2 knockout mice show impaired BDNF-dependent presynaptic plasticity. Collectively, the data suggest that TrkB-signaling endosomes are in fact amphisomes that during retrograde transport have local signaling capacity in the context of presynaptic plasticity.

Aerobic exercise is a potential life-style intervention to delay cognitive decline and neurodegeneration. Elevated serum levels of the anti-aging protein α-Klotho (αKL) are a potential mediating factor of exercise benefits on cognition. Here, we examined in older adults how exercise-related changes of αKL levels in serum relate to changes in cerebral blood flow (CBF), hippocampal volumes and episodic memory. We analyzed data from a previously published intervention study in which forty cognitively healthy subjects were pseudo-randomly assigned to either a cardiovascular exercise group (treadmill training, n=21) or control group (indoor progressive-muscle relaxation/stretching, n=19). 3-Tesla gadolinium perfusion imaging was used to track hippocampal CBF changes and high resolution 7-Tesla-T1-images were used to track hippocampal volume changes. Changes in episodic memory performance were measured using the complex figure test (CFT). Longitudinal changes were compared between groups and analyzed with a multiple linear regression approach. CFT and hippocampal volume changes significantly predicted changes in serum αKL levels. For CFT, this effect was found in the exercise but not the control group. Collectively the data suggest that αKL level increases induced by exercise can be associated with improved hippocampal function in older adults.

The centrosome is thought to be the major neuronal microtubule-organizing center (MTOC) in early neuronal development, producing microtubules with a radial organization. In addition, albeit in vitro, recent work showed that isolated centrosomes could serve as an actin-organizing center (Farina et al., 2016), raising the possibility that neuronal development may, in addition, require a centrosome-based actin radial organization. Here we report, using super-resolution microscopy and live-cell imaging, F-actin organization around the centrosome with dynamic F-actin aster-like structures with F-actin fibers extending and retracting actively. Photoconversion/photoactivation experiments and molecular manipulations of F-actin stability reveal a robust flux of somatic F-actin towards the cell periphery. Finally, we show that somatic F-actin intermingles with centrosomal PCM-1 satellites. Knockdown of PCM-1 and disruption of centrosomal activity not only affect F-actin dynamics near the centrosome but also in distal growth cones. Collectively the data show a radial F-actin organization during early neuronal development, which might be a cellular mechanism for providing peripheral regions with a fast and continuous source of actin polymers; hence sustaining initial neuronal development.