The role of afadin signaling in the assembly of spinal locomotor circuits

Abstract

Coordinated movement sequences, such as locomotor episodes, are defined by the precisely orchestrated timing of muscle activation. The basic pattern of motor rhythm is determined by spinal circuits comprising sets of interneurons that modulate distinct aspects of motor neuron activity. The accuracy that underlies such motor behaviors implies strict connectivity patterns in the spinal cord that arise through the interplay of different developmental programs, including cellular diversification, axon guidance and neuronal positioning. Cell adhesive cadherin/catenin and afadin signaling have been found to be involved in the assembly of motor circuits by regulating the organization of motor neurons during development. However, the implications of disrupted cell-adhesive signaling for motor behavior are still largely unknown. In this study, we sought to better understand the role of afadin in the assembly of locomotor circuits. For this purpose, afadin was conditionally eliminated from motor neuron progenitors, which led to a striking locomotor phenotype: the alternation of left and right limbs during on-ground locomotion was replaced by synchronous stimulation of paired appendages. Surprisingly, our data showed that the perturbed gait pattern was not a consequence of mispositioned motor neurons, but rather that of disrupted central canal morphogenesis. As a result, animals that lacked afadin in the motor neuron progenitor zone displayed a split central canal, which affected the expression of Ephrin B3, one of the main regulators of axonal trajectories across the spinal cord midline. Finally, analysis of limb premotor connectivity using rabies virus tracing demonstrated the presence of aberrant connections arising from the contralateral side of the spinal cord of different interneurons subtypes, including dI4-dI5s, putative V0s, V0cs and V2as, thus contributing to changes in the balance of motor neuron activation across the two halves of the body. Together, these results show that afadin signaling plays a crucial role in the development of locomotor circuits by regulating the generation of the central canal and thereby also maintaining the balance that ensures coordinated left/right movements.

Koordinierte Bewegungssequenzen, wie sie beispielsweise bei Fortbewegungsabläufen gegeben sind, werden durch präzise abgestimmte Muskelaktivierungen definiert. Das Grundschema des motorischen Rhythmus wird durch spinale Netwerke bestimmt, die Gruppen von Interneuronen umfassen, die ihrerseits verschiedene Aspekte der Motoneuronenaktivität modulieren. Die Genauigkeit, die solchen Bewegungen zugrunde liegt, deutet auf strikte Konnektivitätsmuster im Rückenmark hin, die durch das Zusammenspiel unterschiedlicher Entwicklungsprogramme entstehen. Dazu gehören die zelluläre Diversifizierung, die axonale Wegfindung und die neuronale Positioninerung. Die Zelladhäsionssysteme der Cadherine/Catenine und Afadin sind an der Zusammensetzung von motorischen Netwerken beteiligt, indem sie die Ansiedlung von Motoneuronen während der Entwicklung regulieren. Allerdings, sind die Auswirkungen einer gestörten Zelladhäsion auf das motorische Verhalten größtenteils noch unbekannt. Ziel dieser Studie war es, die Rolle von Afadin in der Entwicklung von lokomotorischen Netzwerken besser zu verstehen. Zu diesem Zweck, wurde Afadin konditional in motorischen Vorläuferzellen eliminiert, was einen markanten lokomotorischen Phänotyp zur Folge hatte: das Alternieren der linken und rechten Gliedmaßen während der Fortbewegung auf festem Boden wurde durch eine synchrone Stimulierung von gepaarten Körperteilen ersetzt. Interessanterweise, zeigten unsere Daten, dass sich das Bewegungsverhalten nicht aufgrund fehlpositionierter Motoneuronen änderte, sondern eher eine Konsequenz der gestörten Zentralkanalmorphogenese war. Folglich, weisten Tiere ohne Afadin in der Motoneuronenvorläuferzone einen geteilten Zentralkanal auf, wodurch die Expression von Ephrin B3, eines der wichtigsten molekularen Merkmale, die die Navigation von Axonen über die Mittellinie des Rückenmarks steuern, unterbrochen war. Schließlich, zeigte eine Analyse der prämotorischen Konnektivität mittels Tollwutvirus-Tracing das Vorhandensein von aberranten kontralateralen Verbindungen verschiedener Interneuronen, einschließlich dI4-dI5, mutmaßlichen V0, V0c und V2a, was zu einer Verlagerung des Gleichgewichts der Motoneuronaktivierung zwischen den beiden Körperhälften führte. Zusammenfassend, zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass Afadin eine entscheidende Rolle in der Entwicklung lokomotorischer Netzwerke spielt indem es die Bildung des Zentralkanals reguliert und damit auch das Gleichgewicht aufrechterhält, welches koordinierte links/rechts Bewegungen gewährleistet.