RTK signaling and epidermis remodeling instruct dendrite regrowth after pruning in the Drosophila PNS

Le système nerveux n'est pas un schéma de câblage statique posé une fois pour toutes et laissé sans toucher. Chez de nombreux animaux, y compris les humains, les connexions entre les cellules nerveuses doivent être remodelées à mesure que le corps grandit et change. Ce processus, connu sous le nom d'élagage, implique le retrait délibéré des anciennes branches nerveuses qui ne correspondent plus aux besoins de l'organisme, suivi de la croissance de nouvelles branches pour former de nouveaux circuits. Ce remodelage est crucial pour un développement cérébral normal, et lorsqu'il échoue, il peut contribuer à de graves troubles neurologiques. Chez la mouche du vinaigre, un minuscule insecte souvent utilisé pour étudier comment les gènes contrôlent le développement, ce processus se produit à une échelle massive lors de la métamorphose. Alors que la larve de type chenille se transforme en un adulte ailé, son système nerveux doit être largement démantelé et reconstruit pour correspondre au nouveau plan corporel. Les scientifiques ont compris depuis longtemps qu'une hormone appelée ecdysone déclenche le démantèlement initial, ou l'élagage, des branches nerveuses. Cependant, le signal qui indique au nerf de commencer à repousser est resté un mystère, laissant une lacune dans notre compréhension de la manière dont le système nerveux coordonne sa propre reconstruction avec le reste du corps.

Des chercheurs de l'Université de Münster, en Allemagne, ont maintenant découvert un lien surprenant entre la repousse des branches nerveuses et le remodelage de la peau de la mouche. Ils se sont concentrés sur un type spécifique de neurone sensoriel chez la mouche du vinaigre qui agit comme un arbre, avec de longs bras ramifiés appelés dendrites qui se déploient à travers la paroi du corps pour détecter le toucher. Au cours du stade larvaire, ces branches sont étendues, mais alors que la mouche se prépare à devenir un adulte, elles sont coupées. Le corps cellulaire du neurone survit, et plus tard, il commence à faire pousser un tout nouvel ensemble de branches adaptées à la mouche adulte. L'équipe a découvert que cette repousse ne se produit pas parce que la cellule nerveuse reçoit un signal direct de l'hormone qui a déclenché tout le processus. Au lieu de cela, le nerf attend un message différent, un message qui provient des cellules cutanées situées juste à côté de lui.

Pour découvrir comment le nerf savait quand recommencer à croître, les scientifiques ont d'abord testé si l'hormone ecdysone agissait directement sur la cellule nerveuse pour déclencher la repousse, tout comme elle le fait pour déclencher l'élagage initial. Ils ont utilisé un interrupteur spécial contrôlé par la lumière pour éteindre l'effet de l'hormone spécifiquement à l'intérieur de la cellule nerveuse à différents moments. Ils ont découvert que, bien que le nerf ait besoin de l'hormone pour couper ses anciennes branches, il n'avait pas besoin de la présence de l'hormone à l'intérieur de lui-même pour commencer à faire croître de nouvelles branches. Cela a permis d'écarter l'idée que la cellule nerveuse attendait simplement une seconde dose du même signal. Au lieu de cela, les chercheurs soupçonnaient que le nerf attendait un signal de ses voisins. Ils ont cherché des molécules capables d'agir comme des signaux de croissance, en se concentrant spécifiquement sur deux types de récepteurs à la surface de la cellule nerveuse qui sont connus pour répondre aux facteurs de croissance. Ils ont découvert que les deux récepteurs étaient essentiels ; sans eux, les branches nerveuses ne parvenaient pas à repousser.

L'étape suivante consistait à déterminer d'où venaient les signaux pour ces récepteurs. Les chercheurs soupçonnaient que la réponse se trouvait dans la peau, ou épiderme, car les branches nerveuses poussent directement contre les cellules cutanées. Chez la mouche, la peau subit une transformation spectaculaire lors de la métamorphose. Les grandes cellules cutanées vieillissantes de la larve meurent et sont remplacées par une nouvelle couche de cellules cutanées adultes qui s'étendent pour couvrir le corps. L'équipe a observé que ce remodelage cutané se produit dans une fenêtre de temps précise : il se termine juste au moment où les branches nerveuses ont fini d'être coupées, mais juste avant qu'elles ne commencent à repousser. Pour tester si ce minutage était important, ils ont empêché les anciennes cellules cutanées de mourir et les nouvelles de se développer. Lorsqu'ils ont fait cela, les branches nerveuses non seulement n'ont pas réussi à repousser, mais elles ont également eu du mal à être coupées en premier lieu. Cela a montré que les changements physiques et chimiques de la peau sont étroitement couplés à la capacité du nerf à se remodeler lui-même.

Une investigation plus approfondie a révélé la nature spécifique du signal. Les nouvelles cellules cutanées adultes produisent deux protéines spécifiques qui agissent comme des clés pour déverrouiller les récepteurs de croissance sur la cellule nerveuse. L'une de ces protéines est un type de signal de type insuline, et l'autre est une molécule liée à une famille de facteurs de croissance connus pour guider le développement cellulaire. Les chercheurs ont montré que ces protéines sont produites par les cellules cutanées exactement au moment où le nerf en a besoin pour commencer à croître. Lorsqu'ils ont bloqué la production de ces protéines dans la peau, les branches nerveuses ont cessé de croître, même si les cellules nerveuses elles-mêmes étaient saines et que les récepteurs étaient présents. Cela a confirmé que le nerf n'agit pas seul ; il attend un signal de son tissu d'attache.

L'étude a également examiné si cette connexion entre la peau et le nerf est unique aux mouches du vinaigre ou s'il s'agit d'une règle plus générale de la nature. Les chercheurs ont examiné une espèce de moustique qui, contrairement à la mouche du vinaigre, ne remplace pas ses cellules cutanées pendant la métamorphose. Chez le moustique, les cellules cutanées se divisent et grandissent simplement sans mourir. En examinant les nerfs du moustique, ils ont constaté que les branches ne se faisaient pas couper et repousser de la même manière que chez la mouche du vinaigre. Les nerfs du moustique conservaient leurs branches larvaires tout au long de la transformation. Cela suggère que l'élagage et la repousse spectaculaires observés chez les mouches du vinaigre peuvent avoir évolué spécifiquement pour correspondre au remplacement spectaculaire de leur peau. Le remodelage nerveux semble être une réponse au besoin d'une nouvelle surface stable sur laquelle croître.

Les conclusions suggèrent une danse coordonnée du développement où la cellule nerveuse ne décide pas seule quand reconstruire. Au lieu de cela, elle attend que les tissus environnants terminent leur propre reconstruction. Une fois que les anciennes cellules cutanées ont été éliminées et que la nouvelle peau adulte s'est étendue et stabilisée, elle envoie les signaux chimiques qui disent au nerf : « Le chemin est libre, tu peux commencer à croître maintenant. » Cela garantit que les nouvelles branches nerveuses disposent d'une base stable pour s'attacher et qu'elles croissent au bon moment pour correspondre au reste du corps. La recherche met en lumière un principe fondamental du développement : les changements complexes dans une partie du corps sont souvent synchronisés avec les changements dans une autre partie grâce à des signaux locaux, garantissant que l'organisme se reconstruit en tant qu'unité cohérente. En identifiant les molécules spécifiques et le timing de cette interaction, l'étude offre une image claire de la manière dont une cellule nerveuse sait quand lâcher le passé et tendre vers l'avenir.