ABSTRACT Activity-driven changes in the neuronal surface glycoproteome are known to occur with synapse formation, plasticity and related diseases, but their mechanistic basis and significance are unclear. Here, we observed that N -glycans on surface glycoproteins of dendrites shift from immature to mature forms containing sialic acid in response to increased neuronal excitation. In exploring the basis of these N -glycosylation alterations, we discovered they result from the growth and proliferation of Golgi satellites scattered throughout the dendrite. Golgi satellites that formed with neuronal excitation were in close association with ER exit sites and early endosomes and contained glycosylation machinery without the Golgi structural protein, GM130. They functioned as distal glycosylation stations in dendrites, terminally modifying sugars either on newly synthesized glycoproteins passing through the secretory pathway, or on surface glycoproteins taken up from the endocytic pathway. These activities led to major changes in the dendritic surface of excited neurons, impacting binding and uptake of lectins, as well as causing functional changes in neurotransmitter receptors such as nicotinic acetylcholine receptors. Neural activity thus boosts the activity of the dendrite’s satellite micro-secretory system by redistributing Golgi enzymes involved in glycan modifications into peripheral Golgi satellites. This remodeling of the neuronal surface has potential significance for synaptic plasticity, addiction and disease.

Abstract A question relevant to nicotine addiction is how nicotine and other nicotinic receptor membranepermeant ligands, such as the anti-smoking drug varenicline (Chantix), distribute in brain. Ligands, like varenicline, with high pKa and high-affinity for α4β2-type nicotinic receptors (α4β2Rs) are trapped in intracellular acidic vesicles containing α4β2Rs in vitro . Nicotine, with lower pKa and α4β2R affinity, is not trapped. Here, we extend our results by imaging nicotinic PET ligands in vivo in mouse brain and identifying the trapping brain organelle in vitro as Golgi satellites (GSats). Two PET 18 F-labelled imaging ligands were chosen: [ 18 F]2-FA85380 (2-FA) with varenicline-like pKa and affinity and [ 18 F]Nifene with nicotine-like pKa and affinity. [ 18 F]2-FA PET-imaging kinetics were very slow consistent with 2-FA trapping in α4β2R-containing GSats. In contrast, [ 18 F]Nifene kinetics were rapid, consistent with its binding to α4β2Rs but no trapping. Specific [ 18 F]2-FA and [ 18 F]Nifene signals were eliminated in β2 subunit knockout mice or by acute nicotine injections demonstrating binding to sites on β2-containing receptors. Chloroquine, which dissipates GSat pH gradients, reduced [ 18 F]2-FA distributions while having little effect on [ 18 F]Nifene distributions in vivo consistent with only [ 18 F]2-FA trapping in GSats. These results are further supported by in vitro findings where dissipation of GSat pH gradients blocks 2-FA trapping in GSats without affecting Nifene. By combining in vitro and in vivo imaging, we mapped both the brain-wide and subcellular distributions of weak-base nicotinic receptor ligands. We conclude that ligands, such as varenicline, are trapped in neurons in α4β2R-containing GSats, which results in very slow release long after nicotine is gone after smoking. Significance Mechanisms of nicotine addiction remain poorly understood. An earlier study using in vitro methods found that the anti-smoking nicotinic ligand, varenicline (Chantix) was trapped in α4β2R-containing acidic vesicles. Using a fluorescent labeled high-affinity nicotinic ligand, this study provided evidence that these intracellular acidic vesicles were α4β2R-containing Golgi satellites. In vivo PET imaging with F-18 labeled nicotinic ligands provided additional evidence that differences in PET ligand trapping in acidic vesicles were the cause of differences in PET ligand kinetics and subcellular distributions. These findings combining in vitro and in vivo imaging revealed new mechanistic insights into the kinetics of weak base PET imaging ligands and the subcellular mechanisms underlying nicotine addiction.

How nicotine exposure produces long-lasting changes that remodel neural circuits with addiction is unknown. Here, we report that long-term nicotine exposure alters the trafficking of α4β2-type nicotinic acetylcholine receptors (α4β2Rs) by dispersing and redistributing the Golgi apparatus. In cultured neurons, dispersed Golgi membranes were distributed throughout somata, dendrites and axons. Small, mobile vesicles in dendrites and axons lacked standard Golgi markers and were identified by other Golgi enzymes that modify glycans. Nicotine exposure increased levels of dispersed Golgi membranes, which required α4β2R expression. Similar nicotine-induced changes occurred in vivo at dopaminergic neurons at mouse nucleus accumbens terminals, consistent with these events contributing to nicotines addictive effects. Characterization in vitro demonstrated that dispersal was reversible, that dispersed Golgi membranes were functional, and that membranes were heterogenous in size, with smaller vesicles emerging from larger ministacks, similar to Golgi dispersal induced by nocadazole. Protocols that increased cultured neuronal synaptic excitability also increased Golgi dispersal, without the requirement of α4β2R expression. Our findings reveal novel activity- and nicotine-dependent changes in neuronal intracellular morphology. These changes regulate levels and location of dispersed Golgi membranes at dendrites and axons, which function in local trafficking at subdomains.