Rôle de DIP-α et Dpr10 dans le maintien de la spécificité de l'innervation musculaire dans la patte adulte de Drosophile

Résumé de la thèse

Le connectome axone-muscle, défini comme l’organisation stéréotypée et spécifique des terminaisons axonales des motoneurones (MN) contactant chaque muscle, est essentiel à la fonction motrice. Cette connectivité se met en place au cours du développement grâce à des programmes génétiques guidant les MNs vers leurs cibles musculaires spécifiques. Si ces mécanismes développementaux sont bien caractérisés, leur contribution au maintien à long terme des circuits neuromusculaires à l’âge adulte reste mal comprise. Un nombre croissant de données suggère que les connexions neuromusculaires ne sont pas simplement préservées de manière passive, mais nécessitent un soutien moléculaire actif et continu, les jonctions neuromusculaires (NMJ) adultes subissant des remaniements en réponse à l’activité, au vieillissement ou aux rythmes circadiens. Fait notable, plusieurs molécules impliquées dans la reconnaissance synaptique au cours du développement, notamment les protéines d’adhésion cellulaire et les molécules de guidage axonal, demeurent exprimées dans les MNs et les muscles adultes. Cette expression persistante suggère que les voies moléculaires développementales pourraient jouer un rôle clé dans le maintien de la spécificité synaptique et l’intégrité des circuits tout au long de la vie.

Dans cette étude, nous étudions le rôle de DIP-α, un membre de la superfamille des immunoglobulines et orthologue des protéines humaines IgLONs chez la drosophile, dans le maintien des connexions neuromusculaires chez la mouche adulte. Au cours du développement, DIP-α et son interacteur Dpr10 contrôlent le ciblage terminal de trois MNs spécifiques vers trois muscles distincts de la patte adulte.

Grâce à une approche par RNAi inductible et spécifique de l’adulte, nous montrons que l’expression de DIP-α est à la fois nécessaire et suffisante pour maintenir des connexions neuromusculaires spécifiques chez la mouche adulte. La perte de DIP-α dans les MNs matures entraîne des défauts d’innervation terminale, notamment une diminution de la longueur moyenne des branches axonales et du nombre de ramifications par rapport aux témoins. Inversement, la ré-expression ciblée de DIP-α dans les MNs adultes de mutants nuls permet de restaurer une arborisation terminale correcte, y compris chez des animaux âgés, révélant une plasticité inattendue au sein du système neuromusculaire adulte.

Pour explorer plus avant l’environnement musculaire spécifique pouvant contribuer à la spécificité synaptique, nous avons réalisé un séquençage d’ARN sur noyau isolé (snRNA-seq) des segments fémoraux et tibiaux adultes. Cette analyse révèle des signatures transcriptionnelles distinctes entre les quatre muscles fémoraux, suggérant que les mécanismes de maintien synaptique sont spécifiques à chaque muscle et organisés régionalement. Plusieurs facteurs de transcription et protéines transmembranaires sont différentiellement exprimés entre les muscles, soulignant la nécessité d’explorer plus en détail le protéo-interactome axone-muscle propre à chaque unité motrice.

Nos résultats identifient DIP-α comme un acteur essentiel du maintien de la spécificité synaptique dans la patte adulte et suggèrent un modèle selon lequel les codes moléculaires développementaux sont exprimés et réutilisés à l’âge adulte pour maintenir activement la connectivité neuromusculaire. Ces codes sont requis pour un processus actif de préservation des connexions neuromusculaires uniques chez l’adulte. Ce travail apporte un éclairage nouveau sur les bases moléculaires sur la manière dont les circuits moteurs sont continuellement construits et maintenus tout au long de la vie de l’animal.

Role of DIP-α and Dpr10 in maintaining muscle innervation specificity in adult Drosophila leg

Axon-muscle connectome, defined as the stereotyped and precise wiring of motor neuron (MN) axon terminals contacting each muscle, is essential for coordinated motor function. This connectivity is established during development through genetically encoded programs that guide MNs to their specific muscle targets. While these developmental mechanisms are well characterized, their contribution for the long-term maintenance of neuromuscular circuits in adulthood is poorly understood. Increasing evidence suggests that neuromuscular connections are not passively preserved but instead require continuous molecular support, as adult neuromuscular junctions (NMJs) undergo remodeling in response to activity, aging, and circadian cues. Notably, several molecular players involved in synaptic partner recognition during development, including cell adhesion proteins and axon guidance molecules, remain expressed in adult MNs and muscles. This persistent expression suggests that developmental molecular pathways may be crucial to sustain synaptic specificity and circuit integrity throughout life.

In this study, we investigate the role of the immunoglobulin superfamily member DIP-α, and Drosophila ortholog of human IgLONs, in maintaining neuromuscular connectivity in the adult leg. During development, DIP-α and its binding partner Dpr10 control the terminal targeting of a specific subset of three MNs to three different leg muscles in the adult. 

Using inducible, adult-specific RNAi, we demonstrate that DIP-α expression is both necessary and sufficient to maintain specific neuromuscular connections in adult flies. Loss of DIP-α in mature MNs leads to defects in terminal innervation of DIP-α expressing MNs, such as the decrease of mean branch length and number of nodes compared to controls. Conversely, targeted re-expression of DIP-α in adult MNs of DIP-α null mutants is sufficient to restore correct terminal branching, even in aged flies, highlighting an unexpected degree of plasticity within adult neuromuscular circuits.

To further explore the muscle-specific environment that may contribute to synaptic specificity, we performed single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) of the adult femur and tibia. This analysis uncovered distinct transcriptional signatures across the four femoral muscles, suggesting that synaptic maintenance mechanisms are muscle-specific and regionally patterned. Notably, several transcription factor and transmembrane proteins are differentially expressed between muscles, raising the need for further exploration of muscle specific axon-muscle proteo-interactome. Differential expression of transcription factors, transmembrane proteins, and other regulators suggests that each muscle-muscle fiber provides a unique molecular context that may shape MN targeting and maintenance.

Together, our findings identify DIP-α as a key regulator of specific MN targeting maintenance in the adult leg and support a model in which developmental molecular codes are expressed and repurposed in adulthood to actively maintain and preserve neuromuscular connectivity. These codes expressed in very specific subgroups of MNs and muscles are needed for an active maintenance process of unique connections in adult locomotor system. This work provides new molecular insight into how motor circuits are continuously built and maintain throughout the animal’s lifetime.