La localisation axonale des ARNms est essentielle à la formation de mémoire à long-terme chez la drosophile

Axonal mRNA localization is essential for long-term memory in Drosophila

• Auteur / Autrice : Bruna De Queiroz
• Direction : Florence Besse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions moléculaires et cellulaires
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie Valrose (Nice)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Barbara Bardoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Barbara Bardoni, Scott Waddell, Erin Margaret Schuman, Michael Kiebler
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Scott Waddell, Erin Margaret Schuman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines de liaison à l'ARN

Neurobiologie

Mémoire à long terme

Drosophiles

Mots clés libres

Localisation de l'ARN

Protéines de liaison à l'ARN

Drosophile

Mémoire à long terme

Neurobiologie

RNA localization

RNA-Binding proteins

Drosophila

Long-Term memory

Neurobiology

Résumé

Les mémoires à long terme sont établies et maintenues dans le cerveau par des changements moléculaires et structurels durables qui se produisent au niveau des synapses en réponse à l'activation neuronale. Ces changements nécessitent une nouvelle expression génétique, impliquant non seulement la transcription et la traduction d'ARN à l'échelle du neurone, mais aussi la traduction locale d'ARNm quiescents transportés vers les axones ou les dendrites et stockés aux synapses sous forme de granules de ribonucléoprotéines (RNP). Il reste à démontrer si le transport et la traduction locale des ARNs sont nécessaires à la mémoire à long terme (MLT) dans le contexte des circuits de mémoire physiologiques, et comment ils sont régulés. Aborder cette question in vivo reste un défi en raison de la difficulté à perturber spécifiquement la régulation locale de l'ARN. Mon projet de thèse visait à (1) caractériser le pool d'ARNm localisé dans les terminaux pré-synaptiques des structures centrales de la mémoire chez la drosophile, (2) identifier les bases mécanistiques du transport d'ARNm vers les axones, et (3) étudier le rôle de la localisation des ARNm dépendant de la protéine Imp dans la formation de la mémoire à court et long terme.Par imagerie smFISH à haute résolution, j'ai identifié des ARNm localisés dans les axones des Corps Pédonculés (CPs), qui sont les principales structures impliquées dans l'apprentissage associatif et la formation de la mémoire. L'abondance axonale de ces ARNms varie suivant les transcrits, et certains sont recrutés spécifiquement dans certains sous-compartiments. Afin de mieux comprendre les mécanismes sous-tendant la localisation axonale des ARNms, j'ai étudié la distribution des cibles ARN de Imp, une protéine de liaison aux ARNs conservée transportée de façon sélective jusqu ‘aux axones des neurones g des CPs. L'analyse de constructions rapporteurs a démontré que le transport axonal dépendait de leur 3'UTR. De plus, ce travail a révélé que le ciblage axonal d'un sous-ensemble de ces ARNm est altéré lors de la suppression du domaine de type prion de l'Imp (PLD), un domaine requis pour le transport axonal de l'Imp. Afin d'évaluer fonctionnellement l'importance de la régulation locale des ARNs axonaux in vivo, j'ai développé et effectué des tests de conditionnement de courtship en utilisant des males Imp-ΔPLD, dans lesquels le transport de certains ARNs est spécifiquement altéré. Ces expériences ont révélé que les drosophiles Imp-ΔPLD, bien que capables d'établir des mémoires à court-terme, sont incapables de consolider des mémoires à long-terme, un phénotype induit par l'inactivation de Imp dans les neurones γ des CPs.En conclusion, l'ensemble de mes travaux a permis de mettre en évidence un mécanisme sélectif de ciblage des ARN vers des compartiments pré-synaptiques des circuits de mémoire in vivo et de démontrer son importance physiologique pour l'établissement de la mémoire associative à long terme.

Long-term memories are established and maintained in the brain by long-term molecular and structural changes occurring at synapses in response to neuronal activation. Such changes require new gene expression, involving not only neuron-wide transcription and translation of RNAs, but also local translation of quiescent mRNAs transported to axons or dendrites and stored at synapses as ribonucleoprotein (RNP) granules. Whether RNA transport and local RNA translation are required for long-term memory (LTM) in the context of memory circuits, and how they are regulated remain to be demonstrated. Addressing this question in vivo has remained challenging due to the difficulty in specifically perturbing local RNA regulation. The objectives of my PhD project were: (1) to characterize the pool of mRNAs that localize to synapses in Drosophila memory circuits, (2) to identify the mechanistic basis of mRNA transport to axons, and (3) to investigate the role of mRNA localization dependent on the RNA-binding protein Imp in short-term memory and LTM formation.Focusing on Mushroom Bodies (MB), which are the main structures involved in associative learning and memory formation, I identified through high-resolution smFISH imaging mRNAs with varying axonal abundances, some exhibiting compartment-specific recruitment. To better understand the mechanisms underlying axonal mRNA localization, I investigated the localization of mRNA targets of Imp, a conserved component of transport complexes selectively recruited to MB γ axons. Analyzing the distribution of reporter constructs showed that their transport depends on 3'UTR sequences. Furthermore, this work revealed that axonal targeting of a subset of these mRNAs is altered upon deletion of the Imp prion-like domain (PLD), a domain required for Imp axonal transport. To functionally assess the importance of local RNA regulation in vivo, I then developed and performed courtship conditioning assays using Imp-ΔPLD flies, in which Imp RNA transport is selectively altered. Thus, I uncovered that Imp-ΔPLD flies fail to establish LTM, but exhibit normal short-term memory, a phenotype induced by the loss of functional Imp specifically in MB γ neurons.Together, this work uncovered a selective mechanism underlying the targeting of RNAs to presynaptic compartments of memory circuits in vivo and demonstrated its physiological importance for the establishment of long-term associative memory.