Neuronal remodeling in Drosophila melanogaster with WAVE/SCAR complex and its implication in cognitive functions

par Abrar Ahmad Qurashi

Thèse de doctorat en Sciences du vivant

Sous la direction de Angela Giangrande.

Soutenue en 2006

à Strasbourg 1 .

  • Titre traduit

    Etude du remodelage neuronal induit par le complexe WAVE/SCAR et de ses implications dans les processus cognitifs chez Drosophila melanogaster


  • Résumé

    La morphogenèse neurale et la plasticité neuronale dépendent du remodelage du cytosquelette d’actine et sont induits en réponse à des signaux extra cellulaires qui sont interprétés par la famille des petites Rho GTPases. Pendant ma thèse, j’ai cherché à comprendre comment les voies de signalisations en aval des protéines Rac, petites Rho GTPases, sont utilisés pour réguler la morphogenèse neurale et la plasticité structurelle. Récemment, le complexe WAVE/SCAR, un ensemble de cinq protéines conservées durant l’évolution [WAVE (SCAR), PIR121 (Sra-1 or CYFIP), Hem-2 (NAP1 or Kette),Abi et HSPC300] a été identifié comme le lien essentiel entre Rac1 et Arp2/3 (un complexe moléculaire induisant la polymérisation d’actine). Les premières études suggéraient que Rac1 agissait en dissociant le complexe WAVE/SCAR conduisant à la libération et à l’activation de la protéine WAVE (SCAR). Des études ultérieures proposent un autre mode d’action et suggèrent que le complexe WAVE/SCAR ne se dissocie pas mais qu’à la place il est nécessaire dans son ensemble pour localiser et activer la protéine WAVE (SCAR). Au cours de ma thèse, j’ai utilisé la drosophile comme modèle pour étudier la fonction et le mode d’action du complexe WAVE/SCAR au cours de différents processus du développement neuronal comme la navigation axonale et le développement synaptique. J’ai plus particulièrement isolé des mutants du gène HSPC300 et caractérisé génétiquement et moléculairement cette protéine. Ensuite, j’ai étudié le rôle des autres membres du complexe WAVE/SCAR, ce qui m’a permis de proposer un modèle expliquant comment les divers signaux reçus par les différents membres du complexe sont interprétés. Pendant ma thèse, j’ai démontré que WAVE (SCAR), Kette et HSPC300 forment aussi un complexe chez la drosophile. J’ai observé que toutes ces protéines sont très fortement exprimées dans le système nerveux et tout particulièrement dans les neurones du système nerveux central et les neurones moteurs. De manière intéressante, j’ai observé que muter n’importe quel membre du complexe conduit toujours à des défauts similaires non seulement au niveau du guidage et de la croissance axonale mais aussi au niveau de la morphologie des jonctions neuromusculaires. Nous avons ensuite recherché les raisons de cette similarité phénotypique. Par des expériences de génétique et de biochimie, nous avons démontré que la perte d’un des composants du complexe conduit à l’instabilité des autres composants ce qui fournit une base physique à la similarité des phénotypes observés avec les différentes mutations individuelles. De manière intéressante, les mutations individuelles des composants du complexe n’affectent pas seulement la stabilité des autres membres mais aussi les voies de signalisations en aval. Par exemple, muter n’importe quel membre du complexe WAVE/SCAR a un effet sur la signalisation de CYFIP vers une autre protéine FMRP (Fragile X Mental Retardation Protein : une proteine impliquée dans la mémoire et l’apprentissage chez les humains). De la même manière, la signalisation SCAR-Arp2/3 est affectée par toutes les différentes mutation individuelles. Nous avons aussi étudié la fonction de ce complexe dans le développement de l’oeil de drosophile et montré qu’il contrôle notamment la morphologie et l’intégrité des différents types cellulaires, photorécepteurs (neurones) y inclus. En conclusion, j’ai démontré que le complexe WAVE/SCAR se trouve au centre (physiquement et fonctionnellement) de nombreuses voix de signalisations impliquées et dans le développement de nombreux types cellulaires. Ainsi mon travail s’inscrit dans la lignée des études qui supportent que la régulation de différents évènements morphogénétiques passent par un même noyau de signalisation. Enfin, ma thèse suggère que les autre petites Rho GTPases Rac2 et Mtl sont elles aussi impliqués dans plasticité et la croissance synaptique.


  • Résumé

    Neuronal morphogenesis and plasticity during development as well as in cognitive functions rely on actin cytoskeleton remodeling in response to extra-cellular signals that are interpreted by Rho family of small GTPases. The key subject of my thesis is to understand how signaling pathways downstream of Rac proteins, members of the Rho GTPase family, are utilized to orchestrate distinct aspects of neuronal morphogenesis and structural plasticity. WAVE/SCAR complex, an evolutionarily-conserved assembly of five proteins: WAVE (SCAR), PIR121 (CYFIP), Hem-2 (Kette), Abi and HSPC300 has emerged as a critical link between Rac1 and Arp2/3, molecular complex triggering actin nucleation. During my thesis I have used Drosophila melanogaster as a model system to understand the physiological significance of WAVE/SCAR complex. We have elucidated its role in neuronal actin remodeling underlying axon as well synapse development. Specifically, I have isolated mutations in the HSPC300 gene, and present its detailed characterization both at genetic and biochemical level. My thesis work provides evidence that in Drosophila melanogater SCAR, CYFIP, Kette and HSPC300 associate together to form a complex. All these proteins are highly expressed in the embryonic nervous system and show strong accumulation in central and motor neurons. Interestingly, in many processes examined, there are striking similarities between the phenotypes resulting from the mutations in any member of the complex, for example defects in axon path-finding, axon growth and Neuromuscular Junction (NMJ) morphology, thus demonstrating their pivotal roles for precise neuronal development. By biochemical and genetic experiments, we demonstrated that loss of any of the complex components leads to instability in other components. Therefore, the results provide an unequivocal reason for the common pathological condition noticed in single mutation of the WAVE/SCAR complex. Interestingly, mutation in individual components of the complex not only affects the stability of other complex components but also affects the multiple downstream pathways associated with them. For example, mutation in any component of the complex has an impact on CYFIP signaling to the Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP) implicated in learning and memory in humans. Thus, our results identify the Drosophila WAVE/SCAR complex as a multifunctional unit orchestrating different pathways and aspects of neuronal connectivity and support an emerging theme: different aspects of xv morphogenesis may involve the regulation of common core signaling pathways. Additionally, my thesis also demonstrates the interaction of all three Racs (Rac1, Rac2 and Mtl) with CYFIP and suggests their requirement during NMJ growth and plasticity.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XVII-163 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f 141-163

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service des bibliothèques. Bibliothèque L'Alinéa.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2006;5191
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