Contrôle génétique du développement des circuits dans le système visuel du zebrafish

Genetic control of circuit development in the Zebrafish optic tectum

• Auteur / Autrice : Elena Putti
• Direction : Filippo Del Bene
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 02/12/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de la vision (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Renier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jamilé Hazan, Elim Hong
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Filipe Pinto-Teixeira, Owen Randlett

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurogénétique

Développement neurologique

Réseaux neuronaux (physiologie)

Molécules d'adhésivité cellulaire

Danio rerio

Mots clés libres

Zebrafish

Developpment

Neurosciences

Genetique

Zebrafish

Development

Neuroscience

Genetics

Résumé

Le développement des réseaux neuronaux constitue un ensemble de processus sous le contrôle de mécanismes moléculaires précis qui garantissent la formation des connexions synaptiques. Ces mécanismes sont essentiels pour établir l'architecture complexe du système nerveux, une caractéristique conservée chez les espèces invertébrées et vertébrées. Les neurones sont guidés par un réseau de régulation génétique vers leurs destinations anatomiques spécifiques où ils jouent des rôles cruciaux dans le développement et le comportement. L'orchestration de ces processus implique l'interaction de facteurs de transcription, de molécules de guidage, de protéines d'adhésion et de l'activité neuronale avec les molécules d'adhésion cellulaire (CAMs) jouant un rôle fondamental dans la décision finale d'établir des connexions synaptiques. Dans les systèmes visuels du poisson zèbre et de la drosophile, ces mécanismes complexes sont observables en action. Chez la Drosophile, la CAM Capricious est essentielle pour cibler correctement un sous-ensemble spécifique de photorécepteurs vers les centres de traitement visuel du cerveau. Chez les vertébrés, les protéines orthologues appartiennent à la famille des protéines neuronales à répétitions riches en leucine (Lrrn), reconnue récemment comme essentielle à divers aspects du développement des circuits neuronaux, notamment le guidage axonal, la formation et la stabilisation des synapses. Parmi la famille des protéines LRR, la sous-famille Lrrn—comprenant des molécules telles que Lrrn2 et Lrrn3a—présente des patrons d'expression conservés chez différentes espèces allant de de la Drosophile à l'humain, en particulier lors du développement de la rétine. Malgré cette conservation, les rôles fonctionnels des Lrrn dans la formation et l'assemblage des circuits visuels chez les vertébrés restent en grande partie inexplorés. Dans cette étude, j'ai étudié les rôles de Lrrn2 et Lrrn3a dans le ciblage des axones des cellules ganglionnaires rétiniennes (RGC) au sein du tissu réceptif primaire de la rétine du poisson zèbre, le tectum optique (TO), en utilisant des techniques de perte de fonction médiées par CRISPR/Cas9. La perturbation de ces CAMs a conduit à un câblage synaptique altéré et à des déficits visuels significatifs, affectant particulièrement un sous-ensemble de RGCs projetant vers la couche la plus profonde du TO, le SAC/SPV. Cette perturbation a révélé un rôle jusqu'ici inconnu pour ces RGCs dans la formation et le réglage fonctionnel de ce circuit peu caractérisé. Ces résultats soulignent les rôles cruciaux de Lrrn2 et Lrrn3a dans la spécification et la fonction des circuits rétino-tectaux, offrant de nouvelles perspectives sur les mécanismes sous-jacents au développement du système visuel chez les vertébrés. En outre, la recherche s'étend pour explorer le rôle de deux ensembles d'interneurones exprimant des gènes lrrn dans le cerveau du poisson zèbre qui forment des contacts synaptiques dans le TO. En particulier, j'ai utilisé le séquençage de cellule unique pour générer des outils permettant d'étudier la diversité et la spécialisation des neurones commissuraux inter-tectaux (ITNs) et des neurones exprimant rln3a dans la substance grise périaqueducale (PAG), offrant des perspectives sur leurs contributions à la formation et à la fonction des circuits neuronaux. En intégrant le séquençage de cellule unique avec des analyses anatomiques et fonctionnelles, cette étude vise à offrir une compréhension globale des mécanismes génétiques, développementaux et fonctionnels sous-jacents à ces circuits neuronaux, approfondissant ainsi les connaissances sur la façon dont des réseaux neuronaux précis sont établis et maintenus. Ces découvertes mettent en lumière le rôle crucial des protéines Lrrn dans le développement du système visuel et offrent une analyse détaillée des circuits neuronaux impliqués, contribuant à une meilleure compréhension des bases génétiques et moléculaires du neurodéveloppement.

The development of neuronal networks is a complex process governed by precise molecular mechanisms that ensure the accurate formation of synaptic connections. These mechanisms are essential for establishing the intricate architecture of the nervous system, a feature conserved across both invertebrate and vertebrate species. Neurons are guided by a genetic blueprint to reach their specific anatomical destinations, where they perform crucial roles in development and behavior. The orchestration of this process involves the interplay of transcription factors, guidance molecules, adhesion proteins, and neuronal activity, with cell adhesion molecules (CAMs) playing a fundamental role in the final decision to establish synaptic connections. In the visual systems of zebrafish and Drosophila, these complex mechanisms can be observed in action. In Drosophila, the CAM Capricious is crucial for the correct targeting of a specific subset of photoreceptors to visual processing centers in the brain. In vertebrates, the orthologous proteins belong to the leucine-rich repeat neuronal (Lrrn) family, which has recently emerged as integral to various aspects of neuronal circuit development, including axonal guidance, synapse formation, and stabilization. The Lrrn subfamily—comprising molecules such as Lrrn2 and Lrrn3—displays conserved expression patterns across species, from Drosophila to humans, particularly in the developing retina. Despite this conservation, the functional roles of Lrrns in the formation and assembly of visual circuits in vertebrates have remained largely unexplored. In this study I investigated the roles of Lrrn2 and Lrrn3a in retinal ganglion cell (RGC) axon targeting within the zebrafish's primary retino-recipient tissue, the optic tectum (OT), employing CRISPR/Cas9-mediated loss-of-function techniques. The disruption of these CAMs led to impaired synaptic wiring and significant visual deficits, particularly affecting a subset of RGCs that project to the deepest layer of the OT, the SAC/SPV. This disruption revealed a previously unrecognized role for these RGCs in the formation and also in the functional fine-tuning of this poorly characterized circuit. These findings highlight the crucial roles of Lrrn2 and Lrrn3a in the specification and function of retino-tectal circuits, offering new insights into the mechanisms underlying visual system development in vertebrates. Additionally, the research expands to explore the role of two sets of lrrn-expressing interneurons within the zebrafish brain that form synaptic contacts in the OT. Specifically, I used single-cell sequencing to generate the tools to study the diversity and specialization of the Inter-tectal Commissural Neurons (ITNs) and rln3a-expressing neurons in the periaqueductal gray (PAG), offering insights into their contributions to neural circuit formation and function. By integrating single-cell sequencing with anatomical and functional analyses, this study aims to offer a comprehensive understanding of the genetic, developmental, and functional mechanisms underlying these neuronal circuits, thereby deepening the knowledge of how precise neural networks are established and maintained. These findings collectively highlight the critical role of Lrrn proteins in visual system development and offer a detailed analysis of the neuronal circuits involved, contributing to a deeper understanding of the genetic and molecular foundations of neurodevelopment.