Sleep-wake cycles at mouse synapses Analysis of the transcriptome, proteome, and phosphoproteome at synapses in the mouse brain during daily sleep-wake cycles reveals large dynamic changes (see the Perspective by Cirelli and Tononi). Noya et al. found that almost 70% of transcripts showed changes in abundance during daily circadian cycles. Transcripts and proteins associated with synaptic signaling accumulated before the active phase (dusk for these nocturnal animals), whereas messenger RNAs and protein associated with metabolism and translation accumulated before the resting phase. Brüning et al. found that half of the 2000 synaptic phosphoproteins quantified showed changes with daily activity-rest cycles. Sleep deprivation abolished nearly all (98%) of these phosphorylation cycles at synapses. Science , this issue p. eaav2642 , p. eaav3617 ; see also p. 189

Sleep-wake cycles at mouse synapses Analysis of the transcriptome, proteome, and phosphoproteome at synapses in the mouse brain during daily sleep-wake cycles reveals large dynamic changes (see the Perspective by Cirelli and Tononi). Noya et al. found that almost 70% of transcripts showed changes in abundance during daily circadian cycles. Transcripts and proteins associated with synaptic signaling accumulated before the active phase (dusk for these nocturnal animals), whereas messenger RNAs and protein associated with metabolism and translation accumulated before the resting phase. Brüning et al. found that half of the 2000 synaptic phosphoproteins quantified showed changes with daily activity-rest cycles. Sleep deprivation abolished nearly all (98%) of these phosphorylation cycles at synapses. Science , this issue p. eaav2642 , p. eaav3617 ; see also p. 189

Abstract Interleukin-12 (IL-12) is a potent driver of type 1 immunity. Paradoxically, in autoimmune conditions, including of the CNS, IL-12 reduces inflammation. The underlying mechanism behind these opposing properties and the involved cellular players remain elusive. Here we map IL-12 receptor (IL-12R) expression to NK and T cells as well as neurons and oligodendrocytes. Conditionally ablating the IL-12R across these cell types in adult mice and assessing their susceptibility to experimental autoimmune encephalomyelitis revealed that the neuroprotective role of IL-12 is mediated by neuroectoderm-derived cells, specifically neurons, and not immune cells. In human brain tissue from donors with multiple sclerosis, we observe an IL-12R distribution comparable to mice, suggesting similar mechanisms in mice and humans. Combining flow cytometry, bulk and single-nucleus RNA sequencing, we reveal an IL-12-induced neuroprotective tissue adaption preventing early neurodegeneration and sustaining trophic factor release during neuroinflammation, thereby maintaining CNS integrity in mice.

Abstract IL-12 is a well-established driver of type 1 immune responses. Paradoxically, in several autoimmune conditions including neuroinflammation, IL-12 reduces pathology and exhibits regulatory properties. Yet, the mechanism and the involved cellular players behind this immune regulation remain elusive. To identify the IL-12-responsive elements which prevent immunopathology, we generated mouse models lacking a functional IL-12 receptor either in all cells or in specific populations within the immune or central nervous system (CNS) compartments, and induced experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), which models human Multiple Sclerosis (MS). This revealed that the CNS tissue-protective features of IL-12 are mediated by cells of the neuroectoderm, and not immune cells. Importantly, sections of brain from patients with MS show comparable patterns of expression, indicating parallel mechanisms in humans. By combining spectral flow cytometry, bulk and single-nucleus RNA sequencing, we uncovered an IL-12-induced neuroprotective adaption of the neuroectoderm critically involved in maintaining CNS tissue integrity during inflammation.

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.

In developing brain neuronal migration, dendrite outgrowth and dendritic spine outgrowth are controlled by Cdc42, a small GTPase of the Rho family, and its activators. Cdc42 function in promoting actin polymerization is crucial for glutamatergic synapse regulation. Here, we focus on GABAergic synapse-specific activator of Cdc42, collybistin (CB) and examine functional differences between its splice isoforms CB1 and CB2. We report that CB1 and CB2 differentially regulate GABAergic synapse formation in vitro along proximal-distal axis and adult-born neuron maturation in vivo. The functional specialization between CB1 and CB2 isoforms arises from their differential protein half-life, in turn regulated by ubiquitin conjugation of the unique CB1 C-terminus. We report that CB1 and CB2 negatively regulate Cdc42; however, Cdc42 activation is dependent on CB interaction with gephyrin. During hippocampal adult neurogenesis CB1 regulates neuronal migration, while CB2 is essential for dendrite outgrowth. Finally, using mice lacking Gabra2 subunit, we show that CB1 function is downstream of GABAARs, and we can rescue adult neurogenesis deficit observed in Gabra2 KO. Overall, our results uncover previously unexpected role for CB isoforms downstream of α2-containing GABAARs during neuron maturation in a Cdc42 dependent mechanism.

Studying synapses in vivo presents challenges due to the complexity of accurately targeting and visualizing specific synaptic proteins within the brain. Here, we present a protocol for in vivo analysis of pre- and post-synaptic protein function in mice. We describe steps for combining adeno-associated virus (AAV)-mediated gene transfer to manipulate specific neuron subtypes. We also describe immunofluorescence on artificial cerebrospinal fluid (ACSF)-perfused brain sections to enhance the visualization of synaptic proteins. For complete details on the use and execution of this protocol, please refer to Cramer et al.1

Abstract Microglia interact with neurons to facilitate synapse plasticity; however, signal transducers between microglia and neuron remain unknown. Here, using in vitro organotypic hippocampal slice cultures and transient MCAO in genetically-engineered mice in vivo , we report that at 24 h post-ischemia microglia release BDNF to downregulate glutamatergic and GABAergic synapses within the peri-infarct area. Analysis of the CA1 hippocampal formation in vitro shows that proBDNF and mBDNF downregulate glutamatergic dendritic spines and gephyrin scaffold stability through p75 NTR and TrkB receptors respectively. Post-MCAO, we report that in the peri- infarct area and in the corresponding contralateral hemisphere similar neuroplasticity occur through microglia activation and gephyrin phosphorylation at Ser268, Ser270 in vivo . Targeted deletion of the Bdnf gene in microglia or Gphn S268A/S270A (phospho-null) point-mutations protect against ischemic brain damage, neuroinflamation and synapse downregulation normally seen post-MCAO. Collectively, we report that gephyrin phosphorylation and microglia derived BDNF faciliate synapse plasticity after transient ischemia.

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.

Neurons are highly compartmentalized cells with tightly controlled subcellular protein organization. While broad brain transcriptome, connectome and global proteome maps are being generated, system-wide analysis of temporal protein dynamics at the subcellular level are currently lacking for neuronal development and synapse formation. We performed a temporally-resolved surfaceome analysis of developing primary neuron cultures to a depth of 1000 bona fide surface proteins and reveal dynamic surface protein clusters that reflect the functional requirements during distinct stages of neuronal development. Moreover, our data shows that synaptic proteins are globally trafficked to the surface prior to synapse formation. Direct comparison of surface and total protein pools demonstrates that, depending on the time scale, surface abundance changes can correlate or differ from total protein abundance. The uncoupling of surface and total abundance changes has direct functional implications as shown in the context of synaptic vesicle transport. To demonstrate the utility of our approach we analyzed the surfaceome modulation in response to homeostatic synaptic scaling and found dynamic remodeling of the neuronal surface, which was largely independent of global proteostasis, indicative of wide-spread regulation on the level of surface trafficking. Finally, we present a quantitative analysis of the neuronal surface during early-phase long-term potentiation (LTP) and reveal fast externalization of diverse classes of surface proteins beyond the AMPA receptor, providing new insights into the requirement of exocytosis for LTP. Our resource and finding of organizational principles highlight the importance of subcellular resolution for systems-level understanding of cellular processes, which are typically masked by broad omics-style approaches.