Micromolar concentrations of extracellular Zn2+ are known to antagonize native NMDA receptors via a dual mechanism involving both a voltage-independent and a voltage-dependent inhibition. We have tried to evaluate the relative importance of these two effects and their subunit specificity on recombinant NMDA receptors expressed in HEK 293 cells and Xenopus oocytes. The comparison of NR1a-NR2A and NR1a-NR2B receptors shows that the voltage-dependent inhibition is similar in both types of receptors but that the voltage-independent inhibition occurs at much lower Zn2+ concentrations in NR1a-NR2A receptors (IC50 in the nanomolar range) than in NR1a-NR2B receptors (IC50 in the micromolar range). The high affinity of the effect observed with NR1a-NR2A receptors was found to be attributable mostly to the slow dissociation of Zn2+ from its binding site. By analyzing the effects of Zn2+ on varied combinations of NR1 (NR1a or NR1b) and NR2 (NR2A, NR2B, NR2C), we show that both the NR1 and the NR2 subunits contribute to the voltage-independent Zn2+ inhibition. We have observed further that under control conditions, i.e., in zero nominal Zn2+ solutions, the addition of low concentrations of heavy metal chelators markedly potentiates the responses of NR1a-NR2A receptors, but not of NR1a-NR2B receptors. This result suggests that traces of a heavy metal (probably Zn2+) contaminate standard solutions and tonically inhibit NR1a-NR2A receptors. Chelation of a contaminant metal also could account for the rapid NR2A subunit-specific potentiations produced by reducing compounds like DTT or glutathione.

Members of the NMDA family of glutamate-gated ion channels, which play an important role in the control of synaptic plasticity and excitotoxic neuronal death in the brain, exhibit different opening probabilities and pharmacological profiles according to the NR2 subunit that they possess (NR2A-NR2D). Gielen et al. show that the degree of closure of the clamshell-like N-terminal domains of NR2 subunits determines this functional diversity. N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors have different opening probabilities and pharmacological profiles according to the type of NR2 subunit they possess (NR2A to NR2D). The region formed by the NR2 amino-terminal domain, and the short linker connecting this to the agonist-binding domain, are now shown to be responsible for controlling the subunit-specific gating of NMDA receptors. N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptors (NMDARs) are a major class of excitatory neurotransmitter receptors in the central nervous system. They form glutamate-gated ion channels that are highly permeable to calcium and mediate activity-dependent synaptic plasticity1. NMDAR dysfunction is implicated in multiple brain disorders, including stroke, chronic pain and schizophrenia2. NMDARs exist as multiple subtypes with distinct pharmacological and biophysical properties that are largely determined by the type of NR2 subunit (NR2A to NR2D) incorporated in the heteromeric NR1/NR2 complex1,3,4. A fundamental difference between NMDAR subtypes is their channel maximal open probability (Po), which spans a 50-fold range from about 0.5 for NR2A-containing receptors to about 0.01 for receptors containing NR2C and NR2D; NR2B-containing receptors have an intermediate value (about 0.1)5,6,7,8,9. These differences in Po confer unique charge transfer capacities and signalling properties on each receptor subtype4,6,10,11. The molecular basis for this profound difference in activity between NMDAR subtypes is unknown. Here we show that the subunit-specific gating of NMDARs is controlled by the region formed by the NR2 amino-terminal domain (NTD), an extracellular clamshell-like domain previously shown to bind allosteric inhibitors12,13,14,15, and the short linker connecting the NTD to the agonist-binding domain (ABD). The subtype specificity of NMDAR Po largely reflects differences in the spontaneous (ligand-independent) equilibrium between open-cleft and closed-cleft conformations of the NR2-NTD. This NTD-driven gating control also affects pharmacological properties by setting the sensitivity to the endogenous inhibitors zinc and protons. Our results provide a proof of concept for a drug-based bidirectional control of NMDAR activity by using molecules acting either as NR2-NTD ‘closers’ or ‘openers’ promoting receptor inhibition or potentiation, respectively.

ABSTRACT De novo protein synthesis is required for synapse modifications underlying stable memory encoding. Yet neurons are highly compartmentalized cells and how protein synthesis can be regulated at the synapse level is unknown. Here we characterize neuronal signaling complexes formed by the postsynaptic scaffold GIT1, the mTOR kinase and Raptor that couple synaptic stimuli to mTOR-dependent protein synthesis; and identify NMDA receptors containing GluN3A subunits as key negative regulators of GIT1 binding to mTOR. Disruption of GIT1/mTOR complexes by enhancing GluN3A expression or silencing GIT1 inhibits synaptic mTOR activation and restricts the mTOR-dependent translation of specific activity-regulated mRNAs. Conversely, GluN3A removal enables complex formation, potentiates mTOR-dependent protein synthesis, and facilitates the consolidation of associative and spatial memories in mice. The memory enhancement becomes evident with light or spaced training, can be achieved by selectively deleting GluN3A from excitatory neurons during adulthood, and does not compromise other aspects of cognition such as memory flexibility or extinction. Our findings provide mechanistic insight into synaptic translational control and reveal a potentially selective target for cognitive enhancement.

NMDA receptors (NMDARs) are glutamate-gated ion channels playing a central role in synaptic transmission and plasticity. Dysregulation of NMDARs is linked to various neuropsychiatric disorders, emphasizing the need to understand the functional roles of individual NMDAR subtypes in the brain. GluN2B-containing NMDARs (GluN2B-NMDARs) are particularly important due to both pro-cognitive and pro-excitotoxic roles, although these functions remain under debate. Traditional pharmacological and genetic approaches have important shortcomings in terms of specificity and spatio-temporal resolution, limiting their use in native tissues. We therefore turned to optopharmacology, a technique based on the use of photosensitive ligands, whose activity can be reversibly tuned via illumination with different wavelengths. We developed OptoNAM-3, an azobenzene-based, photoswitchable negative allosteric modulator selective for GluN2B-NMDARs. OptoNAM-3 is a potent inhibitor of GluN2B-NMDARs in its trans configuration and inactive in its cis configuration. When bound to GluN2B-NMDARs, OptoNAM-3 displays remarkable red-shifting of its photoswitching properties that we attributed to geometric constraints imposed by the binding site onto the ligand azobenzene moiety. OptoNAM-3 allowed fast and reversible photomodulation of GluN2B-NMDAR activity in vitro using either UV/green or blue/green light illumination cycles. OptoNAM-3 furthermore acted as a reversible, red-shifted in vivo photomodulator of Xenopus tadpole locomotion. By enabling fast and reversible photocontrol of endogenous GluN2B-NMDARs with in vivo compatible photochemical properties, OptoNAM-3 should advance our understanding of the role of this class of NMDARs in brain function and dysfunction.

SUMMARY Activation of NMDA receptors (NMDARs) has been proposed to be a key component of single neuron computations in vivo. However is unknown if specific mechanisms control the function of such receptors and modulate input-output transformations performed by cortical neurons under in vivo-like conditions. Here we found that in layer 2/3 pyramidal neurons (L2/3 PNs), repeated synaptic stimulation results in an activity-dependent decrease in NMDARs activity by vesicular zinc. Such a mechanism shifted the threshold for dendritic non-linearities and strongly reduced LTP induction. Modulation of NMDARs was cell- and pathway-specific, being present selectively in L2/3-L2/3 connections but absent in ascending bottom-up inputs originating from L4 neurons. Numerical simulations highlighted that activity-dependent modulation of NMDARs has an important influence in dendritic computations endowing L2/3 PN dendrites with the ability to sustain dendritic non-linear integrations constant across different regimes of synaptic activity like those found in vivo. The present results therefore provide a new perspective on the action of vesicular zinc in cortical circuits by highlighting the role of this endogenous ion in normalizing dendritic integration of PNs during a constantly changing synaptic input pattern.