Función de los factores de transcripción Cux1 y Cux2 en la actividad neuronal y en la conectividad a través del cuerpo calloso

Resumen

The cerebral cortex is the most evolved structure of the brain and the site of higher order cognitive functions. These functions are possible due to the large number of overlapping intra-cortical and extra-cortical stereotyped networks that form during embryonic and early postnatal development.The subset of transcription factors (TF), that neuronal sub-populations express, determines their identity as well as their specific connectivity and network integration by mechanisms partially understood. In this thesis we investigate how activity related mechanisms direct the formation of cortical circuits in coordination with TF. It is unknown how activity influences the modulation of genetic programs and whether it plays a role in neuronal fate specification. Previous studies demonstrated that SARE region (composed of the TF binding sites for SRF, MEF2 and CREB) regulates Arc transcription in response to neuronal activity. We showed that SARE sequence is part of a broad activity dependent mechanism of gene expression regulation. Our analysis identified a list of SARE containing genes which expression is possibly up-regulated upon induction of activity and, thus, possible candidates involved in human neurological disorders affecting plasticity. Among these genes we found TF that define neuronal identity; such as Cux1 and Cux2 in layers II-III and IV of the cortex. Our results uncover novel transcriptional mechanisms of synaptic plasticity. They describe a mechanism of gene expression regulation requiring the coordinated activity of three different TF, thus adding a grade of complexity in the way neurons regulate their transcriptional programs. The other part of this thesis shows that subtype specific TF link the acquisition of firing modes to circuit formation during postnatal development, and demonstrates an early role for neuronal coding in selecting connectivity. It is known that different neuronal sub-populations have specific electric properties and firing modes that determine information processing and the functional network. However, the role of firing patterns in selecting neuron¿s connectivity during development has been barely investigated. We found that Cux1 and Cux2 TF are essential and non-redundant for correct corpus callosum (CC) development and connectivity. The CC is the major axonal tract of the brain. It connects the two cerebral hemispheres and it is mainly formed by axons projected from layer II-III neurons. We show that deficiency of the subtype-specific transcription factor Cux1 in layer II-III neurons abolishes CC contralateral connectivity while Cux2 influences the correct refinement of the circuit. We found that Cux1 phenotype is due to low levels of Kv1 channels generating aberrant firing patterns with irregular inter-spike intervals and high initial frequencies. This correlates with aberrant axonal initial segment position. The modulation of firing modes is thus a developmental mechanism determining the specific connectivity of neuronal subtypes. These mechanisms have important implications for understanding axonal wiring, the diversity of neuronal projections, and the biology of cognitive disorders. Altogether this thesis contributes to decipher the role of neuronal activity: the way it is generated in neurons, its properties and consequences on connectivity and gene expression. La corteza cerebral es la estructura más desarrollada del cerebro, responsable de las funciones cognitivas más evolucionadas. Estas funciones son posibles gracias a la gran cantidad de redes intra y extra- corticales que se forman de manera estereotipada, durante el desarrollo embrionario y en estadio post-natal temprano. El conjunto de factores de transcripción (FT) que expresan las diversas sub-poblaciones neuronales determina su identidad molecular, su conectividad e integración selectiva en redes neuronales. En esta tesis se ha investigado la forma en que mecanismos relacionados con la actividad dirigen la formación de los circuitos corticales en coordinación con FT específicos. Se desconoce la forma en que la actividad influye en la modulación de los programas genéticos y su papel en la especificación de la identidad neuronal. Estudios anteriores demostraron que la región SARE (compuesta por los sitios de unión de los FT SRF , MEF2 y CREB ) regula la transcripción del gen Arc en respuesta a actividad neuronal. Nosotros hemos extendido este estudio demostrando que la secuencia SARE forma parte de un mecanismo general de regulación de la expresión génica en respuesta a actividad. Los resultados presentados en esta tesis identifican una lista de genes con la secuencia SARE cuya expresión es regulada por actividad y, por lo tanto, posibles candidatos a participar en trastornos neurológicos humanos en que la plasticidad está afectada. Entre estos genes se encontraron FT que definen la identidad neuronal; tales como Cux1 y Cux2 en las capas II - III y IV de la corteza. Nuestros resultados describen un mecanismo de regulación de la expresión génica, en respuesta a actividad sináptica, que requiere la actividad coordinada de tres FT diferentes, añadiendo así un grado de complejidad a la forma en que las neuronas regulan sus programas transcripcionales. La segunda parte de esta tesis enlaza FT específicos de subtipos neuronales con la adquisición de modos de disparo determinantes para la formación de circuitos durante el desarrollo post-natal; revelando un papel temprano de la codificación neuronal en la selección de la conectividad. Se sabe que las diferentes sub-poblaciones neuronales tienen propiedades eléctricas que determinan el procesamiento de la información y las redes funcionales en que estarán embebidas. Sin embargo, el papel de los patrones de disparo en la selección de la conectividad de las neuronas durante el desarrollo apenas ha sido investigado. El trabajo realizado durante esta tesis muestra que los FT Cux1 y Cux2 son esenciales y no redundantes para el correcto desarrollo y conectividad del cuerpo calloso (CC). El CC es el principal tracto axonal del cerebro y conecta los dos hemisferios. Está formado principalmente por los axones de neuronas de las láminas II-III. En esta tesis demostramos que la deficiencia del factor de transcripción Cux1 impide la estabilización de las proyecciones en el hemisferio contralateral. Por otro lado Cux2 influye en el correcto refinamiento del circuito en el hemisferio contralateral. El fenotipo ligado a la perdida de Cux1 se debe a los bajos niveles de los canales Kv1 que produce patrones de disparo anómalos con intervalos no periódicos entre potenciales de acción y frecuencias iniciales altas; correlacionando con una posición aberrante del segmento inicial del axón. En este trabajo se demuestra, por primera vez, que la modulación de los modos de disparo es un mecanismo que determina la conectividad de los subtipos neuronales durante el desarrollo. Estos mecanismos tienen implicaciones importantes para la comprensión de los circuitos axonales, la diversidad de las neuronas de proyección, y la biología de los trastornos cognitivos. En resumen, esta tesis contribuye a descifrar el papel de la actividad neuronal: cómo se generaen las neuronas, sus propiedades y consecuencias sobre la conectividad y la expresión génica.