In neurons, the specific spatial and temporal localization of protein synthesis is of great importance for function and survival. In this work, we visualized tRNA and protein synthesis events in fixed and live mouse primary cortical culture using fluorescently-labeled tRNAs. We were able to characterize the distribution and movement of tRNAs in different neuronal sub-compartments and to study their association with the ribosome. We found that tRNA motion in neural processes is lower than in somata and corresponds to patterns of slow transport mechanisms, and that larger tRNA puncta co-localize with translational machinery components and are likely the functional fraction. Furthermore, chemical induction of LTP in culture revealed GluR-dependent biphasic up-regulation of mRNA translation with a similar effect in dendrites and somata. Importantly, measurement of protein synthesis in neurons with high resolutions offers new insights into neuronal function in health and disease states.

Abstract Sleep/wake cycles intricately shape physiological activities including cognitive brain functions, yet the precise molecular orchestrators of sleep remain elusive. Notably, the clinical impact of benzodiazepine drugs underscores the pivotal role of GABAergic neurotransmission in sleep regulation. However, the specific contributions of distinct GABA A receptor subtypes and their principal scaffolding protein, gephyrin, in sleep dynamics remain unclear. The evolving role of synaptic phospho‐proteome alterations at excitatory and inhibitory synapses suggests a potential avenue for modulating gephyrin and, consequently, GABA A Rs for sleep through on‐demand kinase recruitment. Our study unveils the distinctive roles of two prevalent GABA A receptor subtypes, α1‐ and α2‐GABA A Rs, in influencing sleep duration and electrical sleep activity. Notably, the absence of α1‐GABA A Rs emerges as central in sleep regulation, manifesting significant alterations in both non‐rapid eye movement (NREM) and rapid eye movement (REM) sleep during dark or active phases, accompanied by altered electroencephalogram (EEG) patterns across various frequencies. Gephyrin proteomics analysis reveals sleep/wake‐dependent interactions with a repertoire of known and novel kinases. Crucially, we identify the regulation of gephyrin interaction with ERK1/2, and phosphorylations at serines 268 and 270 are dictated by sleep/wake cycles. Employing AAV‐eGFP‐gephyrin or its phospho‐null variant (S268A/S270A), we disrupt sleep either globally or locally to demonstrate gephyrin phosphorylation as a sleep regulator. In summary, our findings support the local cortical sleep hypothesis and we unveil a molecular mechanism operating at GABAergic synapses, providing critical insights into the intricate regulation of sleep.

Abstract A diverse set of GABA A receptors (GABA A Rs) enable synaptic plasticity adaptations at inhibitory postsynaptic sites in collaboration with the scaffolding protein gephyrin. Early studies helped to identify distinctions between GABA A R subtypes allocated within specific functional circuits, but their contribution to the changing dynamics of a microcircuit remains unclear. Here, using the whisker-barrel system in mouse, we assessed the contribution of specific synaptic GABA A R subtypes and gephyrin scaffolding changes to sensory processing in vivo . We monitored spontaneous and evoked Ca 2+ transients in layer 2/3 pyramidal cells with the genetically encoded Ca 2+ sensor RCaMP1.07. Using Gabra1 or Gabra2 global and conditional knockout mice, we uncovered that α1- and α2-GABA A Rs determine the sparseness of L2/3 pyramidal neuron encoding. In a cell-type dependent manner, α1-GABA A Rs and α2-GABA A Rs affected neuronal excitability and the reliability of neuronal responses after whisker stimulation. We also discerned that gephyrin with its diverse post-translational modifications (PTMs) shows preference for specific GABA A R subtype to facilitate microcircuit activity. Our results underscore the relevance of the diversity of GABA A Rs within a cortical microcircuit. Key points While GABAergic inhibition from interneuron subtypes regulates cortical microcircuit activity the molecular determinants have remain unclear. We demonstrate that specific-GABA A receptor subtypes contribute differentially to layer 2/3 neuronal activities in mouse barrel cortex. Importantly, we link the GABAAR contributions to the scaffolding properties of its important postsynaptic density protein gephyrin. We show that different PTMs on gephyrin determines neuronal excitability via GABAAR recruitment and modulation of inhibition within layer 2/3 neurons. Specifically, α1 and α2 subunits containing GABA A receptors, along with their scaffolding protein gephyrin determine the distribution of high, medium and low activity pyramidal neurons during sensory encoding, whereby controlling the total activity of cortical microcircuit.

Abstract GABA B receptors mediate prolonged inhibition in the brain and are important for keeping neuronal excitation and inhibition in a healthy balance. However, under excitotoxic/ischemic conditions, GABA B receptors are downregulated by dysregulated endocytic trafficking and can no longer counteract the severely enhanced excitation, eventually triggering neuronal death. Recently, we developed interfering peptides targeting protein-protein interactions involved in downregulating the receptors. Treatment with these peptides restored GABA B receptor expression after an ischemic insult and thereby inhibited neuronal overexcitation and progressive neuronal death. In this study, we searched for GABA B receptor interactions that specifically occur under ischemic conditions. We found that the E3 ubiquitin ligase MARCH1 is specifically upregulated under ischemic/excitotoxic conditions. Upregulated MARCH1 interacts with GABA B receptors and triggered downregulation of plasma membrane GABA B receptors by inhibiting fast recycling of the receptors. We developed an interfering peptide that inhibits the MARCH1/GABA B receptor interaction. Treatment of cultured neurons subjected to ischemic stress with this peptide restored receptor expression and as a consequence stopped progressive neuronal death. Thus, inhibiting the interaction of GABA B receptors with MARCH1 to restore cell surface receptor expression might be a promising strategy to prevent progressive neuronal death induced by ischemic conditions.