Estudio de la especialidad sináptica en el sistema visual de Drosophila melanogaster

Abstract

El establecimiento de conexiones sinápticas específicas entre neuronas es esencial para la formación de los circuitos neuronales. En muchos sistemas esto requiere de una extensión hacia una capa sináptica concreta y la selección de la neurona específica con la que realizar la sinapsis, entre todas las células que ocupan la capa. Sin embargo, los mecanismos que dirigen el establecimiento de conexiones entre neuronas continúan siendo una incógnita en cualquier organismo. Nuestra hipótesis se basa en que las diferencias moleculares entre subtipos neuronales, con origen y función similar, contribuyen a su distinta conectividad.

Para ello, decidimos estudiar la diferente selección de capa de dos fotorreceptores estrechamente relacionados del sistema visual de Drosophila melanogaster: R7 y R8. Durante el desarrollo de la pupa, el conjunto de células R7 y R8 que forman el ojo compuesto (750 R7s y 750 R8s) se dirigen de forma síncrona hacia su capa final sináptica. Gracias a esta precisa coordinación, estudios previos obtuvieron el transcriptoma de R7 y R8 durante el proceso de la selección de capa. A través de herramientas bioinformáticas se han identificado genes diferencialmente expresados entre R7 y R8. Para esclarecer una función de estos genes en la selección de capa de R8 nos centramos en el estudio de 229 genes enriquecidos en R8 mediante un screen con RNAi.

De este análisis se han obtenido 43 genes candidatos con defectos en la selección de capa de R8, de un total de 175 genes estudiados. Para verificar el fenotipo obtenido en el screen con RNAi, se procedió a la validación mediante líneas mutantes o inserciones. De 16 genes viables, se consiguieron validar 5 de ellos, de los cuales nos centramos en dos genes: GstE11 y esn. GstE11 podría mostrar una función específica en la guía axonal de R8, la cual sería independiente a su papel protector frente al estrés oxidativo. Esta hipótesis se corroboraría ya que un miembro de la misma familia de GSTs mostró defectos en el R8 en el screen con RNAi. En referencia a Esn, hemos demostrado que tiene una función en la selección de capa de R8, que podría estar mediada por Fmi, que es una molécula de superficie involucrada en la guía axonal de R8. Dado que Fmi y Gogo actúan de forma conjunta en la selección de capa de R8, se sugiere que Esn podría colaborar con ambos en el cono de crecimiento de R8.

A fundamental requirement in the assembly of neural circuits is that neurons establish synaptic connections with their appropriate partners. In many systems, this involves extension into a particular synaptic layer and selection of the appropriate partner among all the cells in the layer. Virtually nothing is known about the mechanisms governing the establishment of specific connections in any system. Our hypothesis is that the molecular differences that exist between neuronal subtypes, with similar developmental origin and function, contributes to their distinct connectivity.

To address our hypothesis, we study the differential layer selection of the closely related Drosophila R7 and R8 photoreceptors. Each eye contains 750 R7 and 750 R8 cells, and the entire population of each subtype proceeds synchronously to their respective final synaptic layer during pupal development. Taking advantage of such precise coordination, previous studies of RNA‐seq profiled the R7 and R8 transcriptomes during the process of final extension. Our bioinformatics analysis identified differentially expressed genes between the R7 and the R8. In order to gain insight into a role of these genes in R8 layer selection, we focused on 229 R8 enriched genes and performed an RNAi screen.

Following this approach, we have identified 43 candidate genes showing layer selection defects, out of 175 genes analyzed. To verify the observed RNAi phenotype, we validated them by mutant lines or insertions and found that in 5 out of 16 viable genes tested, the phenotype in R8 was successfully confirmed. Among the 5 validated genes, we focused on GstE11 and esn. We found that GstE11 might have a specific role in layer selection independently of its protective role from oxidative stress. This hypothesis could be supported by the fact that another member of the same family of GSTs also showed targeting defects in the RNAi screen. Besides, we demonstrated that Esn has a function in R8 layer selection, which may be mediated through its interaction with Fmi, which is already described to function in R8 axon guidance. Since Fmi and Gogo work together in R8 targeting, we suggest that Esn could be collaborating with them in the R8 axon growth cone.