German Title: Molekulare Faktoren der synaptischen Spezifität auf Einzelzellebene

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Abstract

The correct wiring of neuronal circuits represents one of the most complex processes throughout development. Mistakes in their formation underly genetic neuropathies including autism and schizophrenia, but the molecular program encoded in the genome allowing each axon to precisely innervate its target cell remains poorly understood. In this thesis I use the Drosophila motoneuronal system as a tractable model for studying the formation of complex neuronal circuits during development. I profiled terminally specified motoneurons (MNs) of Drosophila embryos in multiple biological replicates by single cell RNA-Seqencing (scRNA-Seq), mapped their spatial position within the embryo through bioinformatic approaches and high-resolution imaging, and investigated cell-specific changes in synaptic wiring induced by genetic manipulations. I demonstrate that the combinatorial expression of specific homeodomain transcription factors (TFs) serves as a molecular coordinate system to specify the identity and position of motoneuron identities along the ventral nerve cord (VNC). This TF factor code is linked to the expression of cell-specific combinations of Immunoglobulin (Ig) domain proteins that functionally determine synaptic specificity and synaptic partner choice by cell adhesion. My data also shows that a similar mechanism acts in muscle cells, suggesting that differential cell affinities encoded by Ig proteins downstream of homeodomain TFs is a key feature of selective synaptic partner choice. This suggests that a homeo-Ig code is translated into complex neuronal wiring schemes required for establishing the structure of neuronal circuits. Together this thesis gives insights into the molecular logic of synaptic wiring down to the single cell level. In particular, the molecular determinates defining synaptic partners and instructing cells to form cell specific synaptic connections are identified. The experimental advances in this thesis enable a systematic view on spatial organization, molecular identities and connectivity of neuronal circuits during the development of an organism.

Translation of abstract (German)

Die korrekte Verschaltung von neuronalen Schaltkreisen stellt einen der komplexesten Prozesse während der Entwicklung dar. Fehler in der Bildung dieser Schaltkreise können zu entwicklungsbedingten Nervenkrankheiten wie Autismus oder Schizophrenie führen. Dennoch sind die grundlegenden molekularen Programme nicht ausreichend verstanden, die jedes Axon zur spezifischen Innervierung des korrekten Partnerneurons führen. In dieser Doktorarbeit habe ich das motoneuronale System von der Fruchtfliege Drosophila als Modelsystem verwendet, um die Bildung von komplexen neuronalen Schaltkreisen während der Entwicklung zu untersuchen. Dafür habe ich die Genexpression einzelner terminal differenzierte Motoneuronen aus dem Drosophila Embryo in mehreren biologischen Replikaten mit Einzelzellsequenzierung gemessen. Die Motoneuronen wurden nach ihrer räumlichen Position im Embryo mithilfe von bioinformatischen Methoden und hochauflösender Bildbearbeitung angeordnet. Schließlich wurden vorhergesagte zellspezifische Veränderungen in der synaptischen Verschaltung durch gezielte genetische Manipulationen hervorgerufen und somit validiert. Dabei konnte ich zeigen, dass ein kombinatorischer Code von bestimmten Homeodomain-Trankriptionsfaktoren als molekulares Koordinatensystem dient, um die Identität und Position einzelner Motoneuron-Identitäten entlang des ventralen Nervenstrangs festzulegen. Dieser Transkriptionsfaktor Code ist verknüpft mit der zellspezifischen Expression von Kombinationen an Immunoglobulin-Domain Proteinen, welche durch ihre Zelladhesions-Eigenschaften Axone zur Innervierung spezifischer Zielzellen anleiten und damit die synaptische Partnerwahl beeinflussen können. Meine Daten zeigen, dass ein ähnlicher Mechanismus in synaptischen Partnerzellen, dem Muskel vorhanden ist, daher liegt es nahe, dass beide synaptischen Partnern durch übereinstimmende Zellaffinitäten der Immunoglobulin Moleküle eine Verbindung eingehen und dass diese Affinitäten durch einen positionsabhängigen Homeodomain-Trandkriptionsfaktor Code reguliert werden. Diese Ergebnisse legen ein Model nahe, in dem ein zellspezifischer molekularer Homeo-Immunoglobulin Code die komplexe Verschaltung von neuronalen Netwerken definiert und reguliert. Zusammenfassend gibt diese Doktorarbeit Einblicke in die molekulare Logik von neuronalen Schaltkreisen bis herunter auf die Einzelzellebene. Insbesondere wurden molekulare Bestimmungsfaktoren identifiziert, welche einer Zelle ermöglichen spezifische synaptisch Kontakte herzustellen. Die experimentellen Fortschritte dieser Doktorarbeit ermöglichen einen systematischen Überblick über die räumliche Organisation, molekulare Identitäten und Konnektivität von neuronalen Schaltkreisen während der Entwicklung eines Organismus.