RNP granule remodelling in response to neuronal activity
Remodelage des granules ARN en réponse à l’activité neuronale
Résumé
One of the most fascinating – and still open – questions in neuroscience is how neuronal cells can form, store and then recall memories. Previous work has shown that Long-term memory (LTM) formation requires de novo protein synthesis, involving not only translation of newly transcribed RNAs, but also local, experience-induced translation of quiescent mRNAs carried and stored at synapses. For their transport and translational control, mRNAs are packaged with regulatory RNA binding proteins (RBPs), mainly translational repressors, into ribonucleoprotein (RNP) granules. To date, how neuronal RNP granules are remodelled in response to neuronal activity to relieve translation repression of mRNAs is unclear. Furthermore, the functional impact of such a remodelling in the establishment of long-term memories remains to be demonstrated in vivo. The objective of my PhD was to 1) investigate the in vivo mechanisms underlying activity-dependent remodelling of neuronal RNP granules; 2) test the hypothesis that RNPs could be involved in LTM-underlying mechanisms by regulating gene expression. To this end, I used as paradigm RNPs containing the conserved RBP Imp in Drosophila. First, I studied the impact of neuronal activity on Imp RNP properties by treating Drosophila brain explants with either KCl or the tyramine neuropeptide. In both cases, a disassembly of Imp RNPs was observed, characterized by a loss of both Imp and other RNP-component granular patterns, and a de-clustering of RNP-associated mRNA molecules. RNP disassembly could be reverted upon Tyramine withdrawal and was not observed in hyperpolarized neurons. Furthermore, my data suggest that RNP-disassembly is linked to increased translation of associated mRNAs, consistent with a model in which activity-induced RNP remodelling would lead to translational de-repression. Second, I investigated the mechanisms controlling RNP remodelling. A candidate regulator was CamkII, a conserved Ca2+ -activated kinase identified as a partner of Imp in an IP-Mass Spectrometry analysis. During my PhD, I could validate the Imp-CamkII interaction and showed that it is not mediated by RNA but depends on CamkII activity. Furthermore, I showed that inactivating CamkII function prevents the disassembly of Imp RNPs observed upon neuronal activation of brain explants, suggesting that CamkII may be involved in the activity-dependent remodelling of Imp RNP granules. These results are particularly interesting in the context of establishment of LTM, as CamkII has long been recognized as essential for LTM. Moreover, we recently showed in Drosophila that interfering with Imp function in a population of CNS neurons involved in learning and memory – the Mushroom Body γ neurons -, dramatically impairs LTM and that this effect relies on Imp C-terminal Prion-like domain, a domain known to be involved in RNP homeostasis. Altogether, my thesis work suggests a model where CamkII-dependent remodelling of Imp RNPs in response to neuronal activation might underlie LTM formation in vivo.
Une des questions les plus fascinantes – et les plus ouvertes – en neuroscience est de comprendre comment les cellules neuronales contribuent à la formation, le maintien puis le rappel des souvenirs. Des travaux antérieurs ont montré que la formation de la mémoire à long-terme (MLT) requiert la synthèse de novo de protéines, impliquant non seulement la traduction d’ARNs nouvellement transcrits, mais aussi la traduction locale, induite par l’expérience, d’ARNms latents transportés et stockés dans les synapses. En vue de leur transport et du contrôle de leur traduction, les ARNms sont empaquetés avec des protéines de liaison aux ARNs (RBP), qui sont majoritairement des répresseurs de traduction, dans des granules ribonucléoprotéiques (RNP). La manière dont les granules RNP neuronaux sont remodelés en réponse à l’activité neuronale pour lever la répression traductionelle des ARNms est pour l’instant peu claire. En outre, l’impact fonctionnel d’un tel remodelage sur l’établissement de la MLT reste à démontrer in vivo. L’objectif de mon doctorat était 1) d’étudier les mécanismes in vivo qui sous-tendent le remodelage des granules RNP neuronaux ; 2) de tester l’hypothèse que les granules RNP pourraient être impliqués dans les mécanismes de renforcement de la MLT en régulant l’expression génétique. Dans cette optique, j’ai utilisé comme modèle des granules RNP contenant la RBP conservée Imp chez la drosophile. Tout d’abord, j’ai étudié l’impact de l’activité neuronale sur les propriétés des granules RNP Imp, en traitant des explants de cerveau soit avec du KCl, soit avec le neuromodulateur Tyramine. Dans les deux cas, un désassemblage des granules RNP Imp - caractérisé par une dé-granulation à la fois de Imp et d’autres composants – est observé. Le désassemblage des granules RNP est réversible après retrait de la tyramine, et n’a pas été observé dans les neurones hyperpolarisés. Il ne dépend pas strictement du domaine de type prion qui se trouve à l’extrémité carboxy-terminale de Imp, un domaine connu pour être impliqué dans l’homéostasie des granules RNP. De plus, mes données suggèrent que ce désassemblage soit lié à une augmentation de la traduction des ARNms associés, ce qui est cohérent avec un modèle dans lequel le remodelage des granules RNP induit par l’activité des neurones induit une dé-répression de la traduction. Ensuite, j’ai recherché les mécanismes contrôlant le remodelage des granules RNP. Un candidat pour cette régulation était CamkII, une kinase conservée activée par le calcium, et identifiée comme partenaire de Imp dans une analyse d’immunoprécipitation-spectrométrie de masse. Au cours de mon doctorat, j’ai pu valider l’intéraction Imp-CamkII et montrer qu’elle n’est pas médiée par l’ARN, mais dépend de l’activité de CamkII. De plus, j’ai montré qu’inhiber l’activité de CamkII empêche le désassemblage des granules RNP Imp observé lors de l’activation neuronale, suggérant que CamkII pourrait être impliquée dans le remodelage des granules RNP Imp induit par l’activité neuronale. Ces résutats sont particulièrement intéressants dans le contexte de l’établissement de la MLT, car CamkII est depuis longtemps reconnue comme y étant essentielle. Plus encore, nous avons récemment démontré chez la drosophile qu’inactiver la fonction de Imp dans une population de neurones du cerveau central impliquée dans l’apprentissage et la mémoire – les neurones du Mushroom Body – altère radicalement la MLT. En conclusion, mes résultats sont cohérents avec un modèle où le remodelage des granules RNP Imp en réponse à l’activation neuronale dépend de CamkII, et pourrait contribuer à la formation de la MLT in vivo.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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