Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) is a vital molecule for most if not all forms of life. NAD+ harbors a dual role; it is involved in redox reactions and links metabolism with signaling. It is also considered a key molecule in aging, as a critical modulator of cell survival pathways. NAD+ homeostasis–that is, synthesis and consumption–dictates the extent of health and life span. The molecular machinery regulating NAD+ homeostasis is evolutionarily conserved from yeast to mammals, highlighting its essential role in cells. Downregulated NAD+ homeostasis is observed in many pathologies, including chronic and acute neurodegenerative conditions. Conversely, bolstered NAD+ homeostasis by dietary supplementation or genetic manipulation ameliorates neurodegeneration and harbors beneficial outcomes. However, how a decrease in NAD+ mechanistically results in neurodegeneration remains currently unknown.
Here, we present a novel model in the fruit fly Drosophila to manipulate neuronal NAD+ homeostasis. A constitutively active NAD+ hydrolase, dSarm lacking its autoinhibitory ARM domain (dSarm∆ARM), is employed in developing photoreceptor neurons to lower their NAD+ pool. It culminates in their degeneration and, as a consequence, in a small adult compound eye. We find that unknown cell death mechanism(s) execute low NAD+-induced neurodegeneration. Improvements in neuronal NAD+ homeostasis to prevent neurodegeneration result in a partial reversion of the small eye, a proxy for neurodegeneration. Dose-dependent dietary supplementation of compounds, such as NAD+ precursors or inhibitors of NAD+-consuming enzymes, and autonomous genetic manipulations of enzymes involved in NAD+ metabolism partially reverse the small eye phenotype. This reversion depends on the neuronal uptake of NAD+ precursors by specific transporters. We also present an unbiased, forward genetic mutagenesis screen for mutants that restore the small eye to wild type. Isolated mutant candidates either bolster NAD+ homeostasis to prevent low NAD+- induced neurodegeneration or fail to employ cell death mechanism(s).
Impaired NAD+ homeostasis triggers a broad range of neuronal metabolic disorders in humans. Identifying and characterizing the mutated genes in Drosophila will provide additional insights into neuronal NAD+ homeostasis and associated degenerative mechanisms. Evolutionarily conserved candidates might provide novel druggable targets to ensure robust NAD+ homeostasis in human disease.
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Le Nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) est une molécule vitale pour la plupart, voire toutes les formes de vie. Le NAD+ joue un double rôle : il est impliqué dans les réactions d'oxydoréduction et relie le métabolisme à la signalisation. Il est également un composé clé dans le vieillissement, en tant que modulateur critique des voies de survie cellulaire. L'homéostasie du NAD+ – c'est-à-dire sa synthèse et sa consommation – détermine l'état de santé et la longévité. La machinerie moléculaire régulant l'homéostasie du NAD+ est conservée de la levure aux mammifères, soulignant son rôle essentiel dans les cellules. Une diminution du NAD+ est observée dans de nombreuses pathologies, incluant des conditions neurodégénératives aiguës et chroniques. À l'inverse, la supplémentation en NAD+ via des compléments alimentaires ou des manipulations génétiques prévient la neurodégénérescence. Cependant, on ignore toujours par quel mécanisme une diminution du NAD+ se traduit par un processus neurodégénératif. Nous présentons dans cette thèse, un nouveau modèle de manipulation de l'homéostasie neuronale du NAD+ chez la mouche du fruit (drosophile). Une hydrolase constitutivement active du NAD+, dSarm, dépourvue de son domaine ARM auto-inhibiteur (dSarm∆ARM), est utilisée dans les neurones photorécepteurs en développement pour réduire leur réserve de NAD+. Ce phénomène aboutit à leurs dégénérescences et, par conséquent, à un œil adulte atrophié. Nous avons constaté que des mécanismes de mort cellulaire inconnus exécutent la neurodégénérescence induite par un faible taux de NAD+. L'amélioration de l'homéostasie neuronale du NAD+ pour prévenir la neurodégénérescence entraîne une réversion partielle de l’atrophie oculaire. La supplémentation alimentaire, dose-dépendante, en composés, tels que les précurseurs du NAD+ ou les inhibiteurs des enzymes consommatrices de NAD+, ainsi que les manipulations génétiques autonomes des enzymes impliquées dans le métabolisme du NAD+ inversent partiellement l’atrophie oculaire. Cette inversion dépend de l'absorption neuronale des précurseurs du NAD+ par des transporteurs spécifiques. Nous présentons également un crible de mutagénèse génétique directe, non biaisé, pour les mutants qui restaurent la taille de l’œil à un niveau similaire au phénotype sauvage. Les candidats mutants isolés renforcent l'homéostasie du NAD+ pour prévenir la neurodégénérescence induite par un faible taux de NAD+, ou n'utilisent pas le (s) mécanisme (s) de mort cellulaire. L'altération de l'homéostasie du NAD+ déclenche chez l’Homme un large éventail de troubles métaboliques neuronaux. L'identification et la caractérisation des gènes mutés chez la drosophile permettront de mieux comprendre l'homéostasie du NAD+ et les mécanismes dégénératifs associés. Des candidats conservés pourraient constituer de nouvelles cibles médicamenteuses pour assurer une homéostasie robuste du NAD+ dans les maladies humaines.