In vivo reprogramming of circuit connectivity in postmitotic neocortical neurons

Abstract

The molecular mechanisms that control how progenitors generate distinct subtypes of neurons, and how undifferentiated neurons acquire their specific identity during corticogenesis, are increasingly understood. However, whether postmitotic neurons can change their identity at late stages of differentiation remains unknown. To study this question, we developed an electrochemical in vivo gene delivery method to rapidly manipulate gene expression specifically in postmitotic neurons. Using this approach, we found that the molecular identity, morphology, physiology and functional input-output connectivity of layer 4 mouse spiny neurons could be specifically reprogrammed during the first postnatal week by ectopic expression of the layer 5B output neuron-specific transcription factor Fezf2. These findings reveal a high degree of plasticity in the identity of postmitotic neocortical neurons and provide a proof of principle for postnatal re-engineering of specific neural microcircuits in vivo.

How to make a midbrain dopaminergic neuron

“…4F), although iDA cells have not yet been obtained in vivo. Neurons have been reprogrammed from other types of neurons (De la Rossa et al, 2013;Rouaux and Arlotta, 2013), unidentified non-neuronal cells (Grande et al, 2013) (Fig. 6Ca), astrocytes (Guo et al, 2014;Niu et al, 2013;Su et al, 2014;Torper et al, 2013) (Fig.…”

Neonatal Pial Surface Electroporation

“…Thus, electroporation of adult animals should be feasible but would likely result in many fewer cells expressing transgenes due to reduced proliferative activity with aging. However, as recently detailed by Jaubodin and colleagues, the targeting of postmitotic cells in this region might be possible by employing trans-cyclohexane-1,2-diol, which allows for nuclear plasmid access by permeablilizing the nuclear envelope 25 . Also, electroporation is very much compatible with Cre technologies or other engineered mouse types 31 .…”

Vers une régénération induite du système nerveux

“…Ascl1 [39] Sox2 ± VPA [41] Fezf2 [42,43] Neurog2 + FGF2/EGF [40] Neurog2 + FGF2/EGF [40] Sox2 + BDNF/VPA [37] Ascl1, Brn2, Mytl1 [36] NeuroD1 [33] NeuroD1 [33] Gliose réactionnelle [43]. Nous montrons que Fezf2 suffit à reprogrammer les neurones calleux postmitotiques en neurones corticofugaux, exprimant en combinaison les marqueurs spécifiques des couches corticales V et VI, et capables de projeter leurs axones vers des cibles sous-corticales (thalamus) et sous-cérébrales (moelle épinière), typiques des neurones des couches VI et V du cortex, au détriment des connexions corticales (via le corpus calleux) normalement établies par les neurones ciblés [43] (Figure 1C).…”

“…Nous montrons que Fezf2 suffit à reprogrammer les neurones calleux postmitotiques en neurones corticofugaux, exprimant en combinaison les marqueurs spécifiques des couches corticales V et VI, et capables de projeter leurs axones vers des cibles sous-corticales (thalamus) et sous-cérébrales (moelle épinière), typiques des neurones des couches VI et V du cortex, au détriment des connexions corticales (via le corpus calleux) normalement établies par les neurones ciblés [43] (Figure 1C). L'équipe de D. Jabaudon a, quant à elle, choisi de cibler les neurones stellaires de la couche IV du cortex de souriceaux âgés de un jour (P1), démontrant que la surexpression de Fezf2 est capable d'induire, dans ces cellules, l'acquisition d'une morphologie, d'un profil électrophysiologique et de connexions émises et reçues typiques des neurones de la couche V [42]. Ces deux études montrent que le neurone, archétype de la cellule différenciée, est beaucoup plus plastique qu'initialement envisagé et peut, à l'instar des cellules gliales, reprogrammer son identité, sa fonction et ses connexions en réponse à des signaux intrinsèques forts.…”

“…En revanche, deux exemples de conversion directe in vivo viennent d'être rapportés. L'équipe de Denis Jabaudon et nous-mêmes avons testé simultanément la reprogrammation neurone-neurone in vivo [42,43], en réponse à Fezf2 (Fez family zinc finger 2). Ce facteur de transcription est exprimé par tous les neurones corticofugaux (à projection sous-corticale) des couches V et VI du cortex cérébral, du début de la corticogenèse à l'âge adulte [44], et son expression est nécessaire à la spécification des neurones corticospinaux de la couche V [45][46][47].…”