Abstract Serotonin is a neurotransmitter as well as a somatic signaling molecule, and the serotonergic system is a major target for psychotropic drugs. Serotonin, together with a few related neurotransmitters, has recently been found to exhibit an unexpectedly high lipid membrane affinity 1–3 . It has been conjectured that extrasynaptic serotonin can diffuse in the lipid membrane to efficiently reach remote receptors (and receptors with buried ligand-binding sites) 4 , providing a mechanism for the diffuse ‘volume’ neurotransmission that serotonin is capable of 5–10 . Here we show that membrane binding by serotonin can directly modulate membrane properties and cellular function, independent of its receptor-mediated actions. Atomic force microscopy shows that serotonin binding makes artificial lipid bilayers softer. It induces nucleation of liquid disordered domains inside the raft-like liquid-ordered domains in a ternary bilayer displaying phase separation. Solid-state NMR spectroscopy corroborates this data, revealing a rather homogeneous decrease in the order parameter of the lipid chains in the presence of serotonin. In the RN46A immortalized serotonergic neuronal cell line, extracellular serotonin enhances transferrin receptor endocytosis, an action exerted even in the presence of both broad-spectrum serotonin receptor and transporter inhibitors. Similarly, it increases the binding and internalization of Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) oligomers, suggesting a connection between serotonin, which is co-secreted with IAPP by pancreatic beta cells, and the cellular effects of IAPP. Our results uncover a hitherto unknown serotonin-bilayer interaction that can potentiate key cellular processes in a receptor-independent fashion. Therefore, some pathways of serotonergic action may escape potent pharmaceutical agents designed for serotonin transporters or receptors. Conversely, bio-orthogonal serotonin-mimetics may provide a new class of cell-membrane modulators.

Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADD)-based chemogenetic tools are extensively used to manipulate neuronal activity in a cell-type specific manner. Whole-cell patch-clamp recordings indicate membrane depolarization, coupled with increased neuronal firing rate, following administration of the DREADD ligand, Clozapine-N-Oxide (CNO) to activate the Gq-coupled DREADD, hM3Dq. Although hM3Dq has been used to enhance neuronal firing in order to manipulate diverse behaviors, often within thirty minutes to an hour post-CNO administration, the physiological effects on excitatory neurotransmission remain poorly understood. We investigated the influence of CNO-mediated hM3Dq DREADD activation on distinct aspects of hippocampal excitatory neurotransmission at the Schaffer collateral-CA1 synapse in hippocampal slices derived from mice expressing hM3Dq in Ca2+/calmodulin dependent protein kinase a; (CamKIIa)-positive excitatory neurons. Our results indicate a clear dose-dependent effect on fEPSP slope, with no change noted at the lower dose of CNO (1 μM) and a significant, long-term decline in fEPSP slope observed at higher doses (5-20 μM). Further, we noted a robust theta burst stimulus (TBS) induced long-term potentiation (LTP) in the presence of the lower CNO (1 μM) dose, which was significantly attenuated at the higher CNO (20 μM) dose. Whole-cell patch clamp recording revealed both complex dose-dependent regulation of excitability, and spontaneous and evoked activity of CA1 pyramidal neurons in response to hM3Dq activation across CNO concentrations. Our data indicate that CNO-mediated activation of the hM3Dq DREADD results in dose-dependent regulation of excitatory hippocampal neurotransmission, and highlight the importance of careful interpretation of behavioral experiments involving chemogenetic manipulation.

Abstract It is poorly understood why ApoE variants are major genetic risk factors in Alzheimer’s disease (AD), which is associated with the aggregation of amyloid beta (Aβ). Here we directly image specific changes in small Aβ oligomers in rat brain cells that correlate with the cellular ApoE content. An inhibitor of Aβ-ApoE interaction suppresses this change and concomitantly reduces Aβ toxicity in a dose-dependent manner. Single-molecule techniques show changes both in the conformation and the stoichiometry of the oligomers. hiPSC-derived neural stem cells from Alzheimer’s patients also show similar changes. Interaction with ApoE therefore changes the oligomeric state, membrane affinity, and toxicity of Aβ oligomers, and can be directly read out in live cells. Our findings suggest a rapid and quantitative assay for AD drug discovery. One-sentence summary ApoE causes specific toxicogenic modifications of Aβ oligomers, and these changes can be directly imaged in live cells.