Molecular and cellular aspects of proprioceptive control in C. elegans

Abstract

(English) Locomotion behavior is the output of the integrated clues by the nervous system along with proprioceptive regulation, which encompasses responses such as avoiding, feeding, and reproduction. Mechanosensation, the ability to sense mechanical force, relies on mechanically-gated ion channels that convert force into neuronal signals through conformational changes. Unraveling the mechanisms underlying these mechanosensitive channels poses a significant challenge for neurobiologists and cell biologists. My PhD work employed multidisciplinary approaches in biology, physics, mathematics, and engineering to investigate the regulation of proprioception in the model organism C. elegans in the molecular and cellular scales.

In my research, I focused on understanding the role of the interneuron DVA during movement and its ability to draft signals from body curvatures. Using genetically modified strains and calcium imaging techniques, I demonstrated that DVA responds to compressive forces through its axon, leading to an influx of calcium ions through the TRP-4 channel. Additionally, I discovered that bending of the worm stretches the DVA axon and activates the potassium ion channel TWK-16. Both channels detect mechanical forces and modulate DVA signal, such interplay encodes calcium signals along the body curves, facilitating the reception and fine-tuning of muscle contractions in different body segments. Moreover, I discovered the critical role of beta-spectrin in maintaining the structural integrity and proprioceptive function in response to force. To delve deeper into the subject, additional research was conducted to examine the role of beta-spectrin in the ageing process and its impact on proprioception and protein expression in C. elegans.

Apart from the proprioceptive regulation through neuronal signal, my study revealed that the DVA-specific neuropeptide, NLP-12, is responsible to modulate locomotion behavior. Using transgenic animals, imaging techniques, and protein modification approaches, the results showed that NLP-12 is required to promote the DVA-mediated motor output. Interestingly, first evidences suggest that NLP-12 release is controlled by mechanical force. However, the exact mechanism on such effect will be further characterized.

During my PhD research, I developed a novel technique called Fluorescent Landmark Interference (FLInt) for integrating transgenes into the C. elegans genome using CRISPR/Cas9. FLInt is a simple, rapid, and flexible method for establishing transgenic C. elegans strains based on the precise excision of fluorescent genes at a specific locus as markers of integration. FLInt has gained widespread popularity and is now employed as a routine method in C. elegans research laboratories around the world.The novelty of my PhD study lies in its pursuit of both fundamental knowledge and practical applications: (1) to understand the broader concept of mechanosensation and gain valuable insights into how organisms perceive and respond to mechanical stimuli and (2) to offer an accessible and efficient tool for C. elegans research community and enhance future studies using C. elegans model.

(Català) La locomoció es genera a partir d'un conjunt d'estímuls integrats pel sistema nerviós juntament amb el sentit de la postura del cos - o propriocepció -, i com a resultat pot donar lloc a respostes com fugir, alimentar-se i reproduir-se. La mecanosensació, la capacitat de percebre la força mecànica, depèn de canals iònics mecanoreceptors que converteixen la força en senyals neuronals mitjançant canvis conformacionals. Desentrellar els mecanismes subjacents d'aquests canals mecanoreceptors planteja un repte important per als neurobiòlegs i biòlegs cel·lulars. El meu treball de doctorat utilitza enfocaments multidisciplinaris de les branques de la biologia, física, matemàtiques i enginyeria per investigar la regulació de la propriocepció en l'organisme model C. elegans a nivell molecular i cel·lular.

En la meva recerca, vaig centrar-me en comprendre el paper de l'interneurona DVA en la locomoció i la seva capacitat per a interpretar la curvatura del cos. Utilitzant soques genèticament modificades i tècniques d'imatge de calci, vaig demostrar que la DVA respon a la força de compressió a través del seu axó i com a resultat provoca una entrada d'ions de calci a través del canal iònic TRP-4. Per altra banda, la flexió del cuc estira l'axó de DVA i activa el canal iònic de potassi TWK-16. Així doncs, ambdós canals detecten les forces mecàniques i modulen la senyal de DVA. Aquesta interacció codifica per senyals de calci al llarg de les diferents corbatures del cos, facilitant la recepció i el reajustament precís de les contraccions musculars. A més, vaig descobrir el paper crític de la beta-espectrina en el manteniment de la integritat estructural i la funció propioceptiva en resposta a la força. Per investigar la funció específica d'aquesta proteïna del citoesquelet, em vaig centrar en l'estudi del seu paper durant l'envelliment, així com el seu impacte en la propiocepció i l'expressió de proteïnes en C. elegans.

A part de la regulació propioceptiva mitjançant senyals neuronals, el meu estudi va revelar que el neuropèptid específic de DVA, NLP-12, és el responsable de modular la locomoció. Utilitzant animals transgènics, tècniques d'imatge i modificació de proteïnes, els resultats van demostrar que NLP-12 promou el defecte en la locomoció causat per la mutació de beta-espectrina a DVA. Curiosament, les primeres evidències apunten a que l'alliberament d'aquest neuropèptid està controlat per la força mecànica, tot i que una caracterització d'aquest mecanisme haurà de ser feta en treballs futurs.

Paral·lelament, durant el doctorat vaig desenvolupar una nova tècnica anomenada Fluorescent Landmark Interference (FLInt) per integrar transgens en el genoma de C. elegans utilitzant CRISPR/Cas9. FLInt és un mètode senzill, ràpid i flexible per establir soques transgèniques a C. elegans basat en l'excisió precisa d'un gen fluorescent emprat com a marcador d'integració genètica. FLInt ha guanyat una gran popularitat i ara s'usa com a mètode rutinari en laboratoris d'investigació de C. elegans arreu del món.

La novetat del meu estudi de doctorat rau en la generació dels següents coneixements fonamentals i aplicacions pràctiques: (1) comprensió de la mecanosensació, epecíficament el mecanisme de percepció i resposta a estímuls mecànics i (2) generació d'una eina accessible i eficient per a la comunitat d'investigació de C. elegans per a millorar futura recerca amb aquest organisme model.