The integrity of post-mitotic neurons, with axons as connectors between cell bodies and remote synapses, forms the basis for lifelong nervous system function. The structural and functional integrity of axons and their synapses is governed by distinct, cell body-independent mechanisms. Their impairment leads to axon and synapse degeneration. However, our understanding of the underlying integrity mechanisms remains currently limited.
We employed injury-induced axon degeneration to gain further insights into the maintenance mechanisms. Upon axonal injury, severed axons, detached from their cell bodies, engage programmed axon degeneration to actively degenerate within a day. Conversely, the attenuation of this pathway results in the preservation of these projections. When evoked, they continue to elicit a postsynaptic behavior for weeks after injury, a phenomenon defined as preserved circuit integrity. We developed several novel innovative approaches to uncover the underlying mechanisms of preserved circuit integrity.
In this thesis, we demonstrate that the over-expression of Drosophila nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase (dNmnat), effectively inhibits programmed axon degeneration, thereby preserving severed axons and their synapses within circuits. To delve into the molecular mechanism of this preservation, we employed ribosomal pulldowns to isolate the translatome from these preserved projections. Transcriptional profiling unveiled enrichments across several biological classes. Quantification of evoked antennal grooming behavior, as a proxy for preserved circuit integrity, was used to evaluate these candidates. Mediators of local protein synthesis (mTORC1 pathway), protein ubiquitination, and calcium homeostasis were identified as required to preserve circuit integrity.
To gain further insights into the function of dNmnat for structural and functional integrity, we performed a dNmnat structure-function analysis. The modification of 13 individual amino acids, and combinations thereof, revealed mutations that either impair neuronal activity by electroretinogram analyses, or activity and morphology, as observed in wing sensory neurons. Interestingly, a specific mutation that disrupts the nuclear localization signal, led to a partial preservation of severed axons and synapses 7 days after injury, due to a possible forced translocation of dNmnat from the nucleus to the cytoplasm, and thus likely into the axon.
In summary, our study provides valuable insights into the mechanisms underlying structural and functional preservation of axons and their synapses. They may advance our understanding of neurodegeneration and help define potential therapeutic targets for axonopathies.
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L’intégrité des neurones post-mitotiques, dont les axones connectent les corps cellulaires aux synapses distantes, constitue la base du fonctionnement du système nerveux tout au long de la vie. L'intégrité structurelle et fonctionnelle des axones et de leurs synapses est régie par des mécanismes indépendants du corps cellulaire dont l’altération conduit à une dégénérescence des axones et des synapses. Cependant, notre compréhension de ces phénomènes est encore limitée.
Nous avons utilisé la dégénérescence axonale induite par des lésions pour mieux comprendre les mécanismes de maintenance. En cas de lésion axonale, les axones sectionnés, détachés de leurs corps cellulaires, engagent une dégénérescence axonale programmée et dégénèrent activement en 24h. A l’inverse, l’atténuation de cette voie entraîne la préservation de ces projections. Ainsi, lorsqu’elles sont évoquées, elles continuent d’induire un comportement post-synaptique et ce pendant des semaines post-lésionnelles. Ce phénomène est défini comme « intégrité préservée des circuits ». Nous avons développé de nouvelles approches innovantes pour en découvrir les mécanismes sous-jacents.
Dans cette thèse, nous démontrons que la surexpression de la nicotinamide mononucléotide adénylyltransférase (dNmnat) de la drosophile préserve les axones sectionnés et leurs synapses au sein des circuits en inhibant efficacement la dégénérescence programmée. Pour approfondir le mécanisme moléculaire sous-jacent, nous avons immuno-précipité des ribosomes pour isoler le « translatome » des projections préservées. Le profil transcriptionnel a dévoilé des enrichissements dans plusieurs classes biologiques. La quantification du comportement de toilettage des antennes évoqué, en tant qu'indicateur de la préservation de l'intégrité des circuits, a été utilisée pour évaluer ces classes. Les médiateurs de la synthèse protéique locale (voie mTORC1), de l'ubiquitination des protéines et de l'homéostasie du calcium ont été identifiés comme nécessaires pour préserver l'intégrité des circuits. Pour mieux comprendre la fonction de dNmnat, nous avons effectué une analyse structure-fonction. Les modifications individuelles ou combinées de 13 acides aminés ont révélé des mutations qui altèrent l'activité neuronale (via électrorétinogramme), ou bien l'activité et la morphologie (via neurones sensoriels des ailes). Il est intéressant de noter qu’une mutation spécifique perturbant le signal de localisation nucléaire a conduit à une préservation partielle des axones et des synapses sectionnés 7 jours après la lésion, en raison d’une éventuelle translocation forcée de dNmnat du noyau vers le cytoplasme, et donc probablement dans l’axone.
En résumé, notre étude fournit des informations précieuses sur les mécanismes sous-jacents à la préservation structurelle et fonctionnelle des axones et de leurs synapses. Ces informations pourraient faire progresser notre compréhension de la neurodégénérescence et aider à définir des cibles thérapeutiques potentielles dans le traitement des axonopathies.