Development of synaptic layer identity in the Drosophila visual system

Präzise Verschaltungen zwischen axonalen und dendritischen Projektionen im Nervensystem bilden die Grundlage für die Verarbeitung von Informationen. Die ‘Chemoaffinitäts-Hypothese’ postuliert, dass Zelltyp-spezifische Oberflächenmoleküle die axonale Zielfindung und Erkennung zwischen prä- und postsynaptischen Neuronen ermöglichen. Obwohl eine Vielzahl an Zelltyp-spezifischen Regulatoren für neuronale Verbindungen beschrieben wurden, sind die Entwicklungsschritte, in denen diese Moleküle synaptische Erkennung vermitteln, bisher unzureichend verstanden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen in Drosophila zeigen, dass eine frühe Wechselwirkung zwischen den Wachstumskegeln der Axone die Verschalung von Photorezeptoren, unabhängig von neuronalen Erkennungsmolekülen, bestimmt. Während der Entwicklung des visuellen Systems von Drosophila erreichen die Axone der Photorezeptoren R8 und R7 (R-Zellen) die Medulla-Layer M3 bzw. M6 in zwei Schritten. Einige Zelltyp-spezifische Erkennungsmoleküle sind bereits beschrieben, die an der spezifischen Zielfindung der R8 bzw. R7-Axone beteiligt sind. Während diese Moleküle jedoch in der zweiten Phase der Zielfindung agieren, sind die Mechanismen, die während der frühen Entwicklung der Medulla für die Zielfindung der Photorezeptoren verantwortlich sind, bisher nur unzureichend verstanden. Wir haben durch Untersuchung der initialen Schritte während der Innervation des Zielgebiets herausgefunden, dass die Axone der R7 und R8 Neurone eine festgelegte Reihenfolge von lokaler Segregation ihrer Wachstumskegel aufweisen. Dieser Vorgang ist abhängig von den relativen Unterschieden benachbarter Neurone in der Expression des Zink-Finger-Transkriptionsfaktors Sequoia, welcher die Wachstumsdynamik in RZellen steuert. Durch die Kombination von Funktionsverlust- und Fehlexpressions-Studien konnten wir zeigen, dass die relativen Wachstumsaktivität benachbarter 8 Photorezeptoren die anfängliche Organisation des visuellen Schaltkreises in synaptische Schichten und Säulen steuern. Demgegenüber führt eine Angleichung der Sequoia Expression zu einer Konvergenz von benachbarten Axonen. Interessenterweise tritt die wachstumsabhängige Segregation von Axonen nur innerhalb eines begrenzten Entwicklungsabschnittes auf, gefolgt von einem Zusammenspiel zelltypspezifischer Erkennungsmoleküle, um das anfängliche Muster der atonalen Projektion zu festigen. Dies konnte durch die Analyse des R8-spezifischen LRR-Proteins Capricious für die Segregation von R7- und R8-Axonen veranschaulicht werden. Ein überraschender Befund dabei war, dass für ektopische R8-Axons im Verlauf der Entwicklung des visuellen Systems die anfängliche Position der Wachstumskegel die folgenden synaptische Identität bestimmt, ohne dabei die Expression von Zelltypspezifischen Molekülen zu beeinflussen. Aufgrund dieser Ergebnisse postulieren wir ein Modell zur Bildung der visuellen Schaltkreise in Drosophila in dem generelle neuronale Wachstumsprozesse eine Selbstorganisation sensorischer Neurone unabhängig von ihrer zellulären Identität kontrollieren.Precise connections between axonal and dendritic projections are the basis of information processing in the nervous system. The ‘Chemoaffinity Hypothesis’ proposes cell type specific surface molecules to determine axon targeting and recognition between pre-and-post synaptic neurons. Although multiple cell type specific regulators of neuronal connectivity have been described, the developmental steps in which these molecules are used to mediate synaptic recognition are poorly characterized. Here we show that a sequence of local growth cone segregation, independent of neuronal recognition molecules, determines synaptic layer identity of Drosophila photoreceptor axons. In the Drosophila visual system, R8 and R7 photoreceptor (R cells) axons target to the medulla layers M3 and M6 in two developmental steps. 1. Initial asynchronous temporary layer targeting and 2. Later synchronous extension to final target layers. Several cell type specific recognition molecules involved in layer-specific R8/7 axon targeting have been identified. However, these molecules function in the second step of R cell axon targeting and mechanisms governing early medulla innervation by photoreceptor axons are not well understood. By analyzing the initial steps of target field innervation it is demonstrated that R8/R7 afferents display a defined series of local growth cone segregations. This segregation is dependent on the dynamic expression of Sequoia, a Zn finger transcription factor, that regulates axon growth dynamics in projecting R cells. Combining Sequoia loss- and gain-of-function experiments we found that relative Sequoia levels between co-projecting photoreceptors control initial visual map pattering, with small and large differences specifying columnar and layer identity, respectively. On the other hand, equalizing Sequoia levels leads to the coconvergence of neighboring axons. Interestingly, growth-dependent axon segregati6 on occurs in a defined temporal window, followed by the activity of cell-type specific recognition molecules to consolidate the initial axon patterning, illustrated by the role of the R8 specific LRR protein Capricious in maintaining the initial axon segregation via inetraction with the medulla target region between. Strikingly, by following ectopic R8 axons through visual system development we could show that initial growth cone positioning determines final synaptic layer identity independent of cell-type specific recognition molecules. From these data it can be proposed that Drosophila visual map formation is initially organized by a growth-related self-pattering mechanism of R cell axons independent of neuron-type specification