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Les cellules s’organisent pour former des structures fonctionnelles par la coordination des changements intra- et intercellulaires via la morphogenèse. Un exemple remarquable de morphogenèse est le développement de la structure neuronale hautement spécialisée. Les neurones présentent une polarisation remarquable, dans laquelle ils étendent deux types de processus structurellement et fonctionnellement distincts, les dendrites et les axones1, qui peuvent atteindre des longueurs immenses. La complexité du développement neuronal provient non seulement de la taille des dendrites et des axones, mais aussi de la difficulté à former leurs géométries ramifiées complexes 2,3. La morphogenèse neuronale et ses conséquences sur l’apprentissage et la mémoire4 motivent l’étude en cours de son contrôle génétique et des mécanismes biologiques cellulaires sous-jacents. Ces mécanismes comprennent, sans s’y limiter, le transport membranaire intracellulaire et les nombreux réarrangements cytosquelettiques nécessaires aux modifications de la morphologie neuronale 1,2,3.
L’étude de la morphogenèse neuronale a produit une variété de techniques de visualisation avancées. Les méthodes statiques, telles que la microscopie électronique ou la microscopie à fluorescence de sondes fixes, sont largement utilisées pour effectuer des analyses morphologiques et structurelles à haute résolution. Cependant, outre les artefacts qui sont inévitables à toute méthode de conservation, la visualisation statique ne peut pas capturer les changements dynamiques qui sous-tendent la morphogenèse. Ainsi, de nombreuses informations cruciales ont été obtenues grâce à la microscopie à fluorescence en accéléré de tissus vivants. Les premiers travaux de Lichtman et de ses collègues 5,6,7 ont utilisé l’imagerie in vivo du système nerveux des mammifères pour étudier la régénération/dégénérescence des axones, l’organisation des composants synaptiques et le transport axonal à longue distance. De plus, des études fondamentales sur des explants neuronaux primaires ont été essentielles pour établir l’importance de la dynamique des microtubules (MT) pour l’élongation et la motilité axonales 8,9. De manière cruciale, les premières études sur les explants neuronaux ont établi l’utilisation de protéines de la famille des fins de liaison (EB) marquées par fluorescence pour obtenir des informations inestimables sur la dynamique de l’extrémité positive de la MT dans les neurones en développement au niveau des polymères MT10 individuels. Ces études sont nées d’observations selon lesquelles le membre de la famille EB EB1 se localise préférentiellement aux extrémités MT plus11 chez S. cerevisiae12 et dans les cellules cultivées13. Depuis lors, EB1 et d’autres protéines de suivi de pointe (+TIP)14,15 ont été largement utilisées dans les études in vivo de l’instabilité dynamique de la MT16, y compris dans le contexte du développement neuronal17.
La drosophile est un modèle puissant pour les études d’imagerie in vivo de la dynamique de la MT au cours du développement neuronal en raison des vastes outils génétiques et d’imagerie disponibles pour les études sur les mouches18,19 ainsi que des similitudes de structure et de fonction entre la drosophile et les neurones vertébrés1. Une étude précoce clé de la jonction neuromusculaire (JNM) des larves de drosophile a effectué une imagerie non invasive répétée d’un marqueur de membrane fluorescente à travers la cuticule translucide d’animaux intacts pour documenter la morphogenèse terminale présynaptique20. En utilisant une méthode similaire pour imager des larves de drosophile entières et vivantes, une démonstration initiale de l’analyse subcellulaire au niveau des particules du mouvement processif des cargaisons motorisées dans les axones a été fournie21. Plus récemment, des études méticuleuses menées par Rolls et ses collègues sur les dendrites sensorielles de larves intactes de drosophile22, 23, 24, 25, 26, 27 ont caractérisé la dynamique positive de la MT postsynaptique en effectuant un suivi des particules et une analyse de la protéine fluorescente verte (GFP) étiquetée EB1. De telles études chez la drosophile 22,23,24,25,26,27 et d’autres systèmes 28,29,30,31,32 ont considérablement fait progresser la compréhension du comportement monopolymère des extrémités MT plus dans les dendrites des neurones en développement 33.
Malgré les études in vivo impressionnantes de la dynamique de la MT postsynaptique 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31, il y a eu beaucoup moins d’études comparables de la dynamique de la MT présynaptique au terminal axonal en développement. La dynamique de la MT au niveau de la NMJ de la larve de drosophile a été étudiée à l’aide de la microscopie à moucheture fluorescente (FSM) et de la récupération de fluorescence après photoblanchiment (FRAP)34. Ces techniques évaluent la cinétique globale de la tubuline, mais pas le comportement des extrémités individuelles de MT plus. Au moment d’écrire ces lignes, il n’y a eu qu’une seule étude des extrémités individuelles de MT plus au NMJ de la drosophile : cette étude a combiné l’imagerie en direct et l’analyse manuelle de kymographes pour caractériser une population de MT dynamiques, étiquetées EB1-GFP « pionnières » qui semblaient distinctes d’une population plus large de MT stabilisées35. Ce manque de recherche sur la dynamique présynaptique des MT peut être dû au moins en partie à l’anatomie : alors qu’il est relativement simple d’obtenir des images des dendrites en raison de leur proximité avec la cuticule larvaire, les NMJ sont obstruées par d’autres tissus, ce qui rend difficile l’acquisition d’images avec un rapport signal/bruit suffisant pour l’analyse au niveau des particules. Néanmoins, étant donné l’importance bien établie des MT présynaptiques pour la morphogenèse et la stabilisation synaptiques36, ainsi que leurs liens avec les troubles neurodéveloppementaux et neurodégénératifs37, combler ce fossé entre la compréhension des MT pré- et postsynaptiques est susceptible de fournir des informations inestimables.
Un défi supplémentaire pour l’analyse de la dynamique de la traduction automatique in vivo en général, par rapport à l’analyse in vitro ou ex vivo, est le nombre limité d’outils logiciels automatisés capables d’extraire des paramètres dynamiques à partir de données in vivo. À l’heure actuelle, l’une des techniques les plus populaires et les plus puissantes pour l’analyse des extrémités MT plus étiquetées +TIP est plusTipTracker38,39, un logiciel basé sur MATLAB qui permet le suivi et l’analyse automatisés de plusieurs paramètres dynamiques. Notamment, plusTipTracker mesure non seulement la croissance de la traduction automatique, mais aussi la perte de poids et les sauvetages : alors que les étiquettes +TIP telles que EB1-GFP ne s’associent qu’aux extrémités positives en croissance, plusTipTracker peut déduire algorithmiquement les taux de rétrécissement et les événements de sauvetage. Cependant, alors que plusTripTracker a été appliqué avec beaucoup de succès à de nombreux contextes, y compris l’analyse multiparamétrique précédente de la dynamique MT ex vivo dans les cellules S2 de la drosophile40, plusTipTracker n’est pas optimal pour l’analyse de données in vivo étant donné leur rapport signal/bruit plus faible. Par conséquent, les études in vivo de la dynamique positive aux dendrites22, 23, 24, 25, 26, 27 et au NMJ35 de la drosophile ont reposé sur la génération et l’analyse manuelles de kymographes à l’aide d’un logiciel tel qu’ImageJ41, ou sur des stratégies semi-automatisées impliquant de nombreux composants humains dans la boucle.
Cette étude présente un flux de travail expérimental et analytique qui réduit les frais généraux expérimentaux et analytiques nécessaires pour effectuer une analyse non invasive au niveau des polymères de la dynamique présynaptique des MT dans les dendrites sensorielles et la terminaison axonale motrice des larves de drosophile du troisième stade. Le protocole utilise des larves immobilisées et intactes et évite donc les blessures connues pour déclencher des réponses au stress ainsi que d’autres conditions non physiologiques qui pourraient perturber la dynamique de la MT in vivo. Pour marquer les extrémités positives MT dynamiques, EB1-GFP est exprimé pan-neuronalement à l’aide du système Gal4/UAS 42, permettant de visualiser les MT à la fois aux dendrites et à la NMJ avec un seul pilote. Alors que certaines étapes précoces sont inévitablement soumises à la prise de décision humaine, comme la sélection des spécimens d’animaux et l’identification des régions à imager, les étapes qui suivent l’acquisition des données sont largement automatisées. L’optimisation d’un nouveau logiciel a permis une analyse automatisée et impartiale nécessitant un minimum d’intervention humaine. Bien que d’autres méthodes de suivi des particules soient disponibles 43,44,45, cette étude utilise un logiciel propriétaire car il était bien adapté sur le plan algorithmique pour relever les défis particuliers de cet ensemble de données particulier. Le logiciel est maintenant disponible pour une variété d’applications. Plus précisément, l’utilisation du filtrage de diffusion46, qui améliore la cohérence, fait partie intégrante de la segmentation automatisée et de la suppression de l’arrière-plan, et des algorithmes personnalisés sont mis en œuvre spécifiquement pour automatiser la détection et le suivi des particules. Cette stratégie pourrait gérer efficacement le faible rapport signal/bruit inhérent aux données de cette étude, ainsi que d’autres défis, tels que le mouvement des comètes EB1-GFP à travers différents plans focaux. Bien qu’il ne soit pas possible de tester de manière exhaustive les performances de ce logiciel par rapport à tous les autres logiciels d’analyse de particules, les performances de la stratégie actuelle étaient égales ou proches des performances humaines standard. De plus, à la connaissance des auteurs, il n’existe aucun autre logiciel spécifiquement entraîné sur des données in vivo provenant de dendrites sensorielles et du terminal présynaptique. Étant donné que les performances des algorithmes d’analyse d’images sont souvent très spécifiques aux données pour lesquelles ils ont été conçus et que la vision par ordinateur généralisée n’est pas encore possible, on s’attend à ce que l’entraînement du logiciel décrit aux données in vivo spécifiques d’intérêt soit l’approche la plus solide sur le plan algorithmique.
Compte tenu des travaux approfondis sur les MT dendritiques 22,23,24,25,26,27 ainsi que de la qualité constante des données pouvant être acquises à partir de ce système, la stratégie d’acquisition d’images et d’analyse logicielle a d’abord été validée chez les dendrites sensorielles de la drosophile. Il est important de noter que l’utilisation de différents pilotes neuronaux Gal4, même dans des milieux sauvages par ailleurs identiques, entraîne des différences significatives dans la dynamique EB1-GFP en raison de différences dans le patrimoine génétique, soulignant l’importance d’utiliser un seul pilote Gal4 pour des résultats cohérents. Cette stratégie a ensuite été utilisée pour l’analyse multiparamétrique de la dynamique EB1-GFP au niveau de la terminaison présynaptique du NMJ. Pour illustrer davantage la valeur investigatrice de cette méthode, cette stratégie d’imagerie et de logiciel a été utilisée pour évaluer la dynamique pré- et postsynaptique EB1-GFP après knockdown de dTACC, l’homologue de la drosophile de la famille hautement conservée TACC (transforming acidic coiled coil)47,48. Des travaux antérieurs sur les cellules S240 de la drosophile, ainsi que sur les travaux de Lowery et de ses collègues sur le cône de croissance du xénope 49,50,51, ont montré que les membres de la famille TACC régulent la dynamique positive de la MT. De plus, des preuves récemment rapportées de l’imagerie d’immunofluorescence confocale et à super-résolution ont montré que le dTACC est un régulateur clé des MT présynaptiques au cours de la morphogenèse neuronale52, soulevant la question de savoir si le dTACC régule la dynamique des MT en direct. Ce rapport fait la démonstration d’une méthode qui permet en effet de détecter les différences dans les comportements de la MT en direct lors de l’inactivation du dTACC. Ainsi, cette étude présente une méthode in vivo qui permet d’identifier et de caractériser efficacement les principaux régulateurs de la dynamique de la MT au sein du neurone en développement, en particulier dans le compartiment présynaptique.