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Theses Year : 2023

Unraveling the mechanisms of climbing fiber synapse specificity in the cerebellum

Étude des mécanismes de la spécificité des synapses des fibres grimpantes du cervelet

Abstract

Brain function is based on the establishment of highly stereotyped neuronal networks through precise and diverse synaptic contacts. Understanding what controls synapse specificity and identity is thus mandatory not only to understand brain functions but also the etiology of synaptopathies such as autism spectrum disorders or schizophrenia. While Sperry postulated the chemo-affinity hypothesis in the 1960s, implying a molecular combination for each synapse type in the assembly of neural circuits, the existence and nature of these combinations have not been demonstrated. To address this question, I focused on the olivo-cerebellar network involved in the control of motor function and cognitive processes. In this well characterized circuit, two different excitatory inputs, the climbing fibers and the parallel fibers, connect the same target neuron, the Purkinje cell, initially on the same territory and then on distinct and non-overlapping territories in the mature stage. It is therefore an ideal model to study the molecular basis of synapse identity. Based on previous data from our laboratory and others, the expression of a specific C1Q-related protein in each input is necessary, but not sufficient, for proper formation of climbing fibers and parallel fibers synapses on Purkinje cells. Loss of function of the specific C1Q-related protein at each input, CBLN1 at the parallel fibers and C1QL1 at the climbing fiber, result in the loss of about half of the respective synapses, suggesting the involvement of other molecules. Thus, I searched for the nature of this molecular combination, focusing on identifying the one coding for climbing fiber/Purkinje cell synapse identity. I combined neuron-specific transcriptomics and bioinformatics analyses followed by neuron-specific loss of function using genome editing in vivo during mouse development. I have identified a combination of presynaptic secreted molecules underlying the identity of the climbing fiber/Purkinje cell synapses. Surprisingly, I have also discovered that this specific code is generated, during postnatal development, in an afferent-specific manner starting from a common code. Climbing fibers actively and gradually specify their synaptic molecular identity while parallel fibers rely on the “original common code”. This result suggests that synapse molecular diversification follows input-specific molecular rules. Finally, I am currently testing whether the specification of the molecular code is regulated by neuronal activity during postnatal development. This study represents an unprecedented dissection of the mechanisms controlling circuit development at a single neuron type level with important consequences for our understanding of the etiology of neurodevelopmental disorders.
Le fonctionnement du cerveau repose sur la mise en place de réseaux neuronaux hautement stéréotypés via des contacts synaptiques précis mais variés. Comprendre ce qui contrôle la spécificité et l'identité des synapses est donc indispensable à la compréhension non seulement du cerveau mais aussi de l'étiologie des synaptopathies, comme les troubles du spectre autistique ou encore la schizophrénie. En 1963, Sperry propose l'hypothèse de chimio-affinité impliquant que chaque type de synapse exprime une combinaison moléculaire spécifique qui régule la connectivité du circuit. Cependant, l'existence et la nature de telles combinaisons restent toujours à démontrer. Afin de tester cette hypothèse, je me suis concentrée sur le réseau olivo-cérébelleux qui est impliqué dans de nombreux processus cognitifs ainsi que dans le contrôle des fonctions motrices. Dans ce système, les fibres grimpantes et les fibres parallèles se connectent au même neurone cible, la cellule de Purkinje, initialement sur un territoire commun, puis plus tard sur des territoires distincts. Ce modèle est ainsi idéal pour l'étude les mécanismes moléculaires à l'origine de la spécificité des synapses. Chaque afférence de la cellule de Purkinje exprime une protéine différente de la famille C1Q qui est nécessaire, mais pas suffisante, à la formation de leurs synapses sur leur cible. J'ai donc cherché à déterminer la nature de la combinaison moléculaire qui est à l'origine de l'identité de la synapse fibre grimpante/cellule de Purkinje. Pour cela, j'ai combiné des analyses de transcriptomiques et de bio-informatiques, avec des expériences de perte de fonction réalisées de manière neurone-spécifique chez la souris. J'ai identifié une combinaison de molécules présynaptiques qui sont sécrétées et qui sous-tendent l'identité de la synapse fibre grimpante/cellule de Purkinje. Étonnamment, j'ai découvert que ce code spécifique est généré, au cours du développement postnatal, à partir d'un code commun aux deux afférences. De plus, les fibres grimpantes spécifient activement leur identité moléculaire synaptique alors que les synapses des fibres parallèles conservent le "code commun" initial. Enfin, je suis actuellement en train de tester si cette spécification du code moléculaire est régulée par l'activité neuronale au cours du développement postnatal. Pour conclure, cette étude constitue une dissection sans précédent des mécanismes contrôlant le développement des circuits convergeant vers un seul type de neurone, et ouvrant la voie à notre compréhension de l'origine des troubles du neurodéveloppement.
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tel-04577479 , version 1 (16-05-2024)

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  • HAL Id : tel-04577479 , version 1

Cite

Maëla Paul. Unraveling the mechanisms of climbing fiber synapse specificity in the cerebellum. Neurons and Cognition [q-bio.NC]. Sorbonne Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023SORUS109⟩. ⟨tel-04577479⟩
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