<p>Neurons, with their enormous membrane contents, depend heavily on regulated membrane trafficking processes to maintain their morphology and function. The phosphatidylinositol 3-kinase class III, or PIK3C3, plays a critical role in various membrane trafficking processes including both the endocytic and autophagic pathways. The functions of PIK3C3 in the nervous system in vivo are un-characterized. We reasoned that studying PIK3C3 in neurons would provide us an entry point into understanding the regulations and functions of the neuronal membrane trafficking processes and their roles in neuronal morphogenesis and homeostasis. </p><p>We generated a conditional allele of Pik3c3 and first deleted it specifically in the peripheral sensory neurons. Mutant large-diameter myelinated sensory neurons accumulated numerous enlarged vacuoles and ubiquitin-positive aggregates and underwent rapid degeneration. By contrast, Pik3c3-deficient small-diameter unmyelinated neurons accumulated excessive numbers of lysosome-like organelles and degenerated slower than large-diameter neurons. These differential degenerative phenotypes are unlikely caused by a disruption of the autophagy pathway, because inhibiting autophagy alone by conditional deletion of Atg7 results in a completely distinct subcellular phenotypes and very slow degenerations of all sensory neurons. More surprisingly, a noncanonical PIK3C3-independent LC3-positive autophagosome formation pathway was activated in Pik3c3-deficient small-diameter neurons. This work uncovered unexpected differences of the endo-lysosomal systems in different types of neurons and discovered a novel autophagy initiation pathway in vivo in neurons. </p><p>To examine the role of PIK3C3 in the central nervous system (CNS), we next deleted Pik3c3 in CNS neural progenitor cells using the Nestin-Cre transgenic line. The resulting conditional knockout mice displayed a severe cortical lamination abnormality caused by defective cortical neuron migration. This finding uncovered a previously under-appreciated role of endocytic trafficking in neural migration, which was further confirmed by electron microscopic analyses of the developing cortex. Moreover, overexpressing the dominant negative forms of Dynamin2 or Rab5, two regulators of endocytosis, caused similar migration defects as Pik3c3-deletion. Mechanistically, Pik3c3-deficient cortical neurons drastically reduced surface Reelin binding sites, and showed significantly decreased levels of Dab1 phosphorylation, despite expressing normal total amount of Reelin receptor ApoER2. This work suggests endocytosis and recycling of Reelin receptors are likely to play an important role in cortical migration regulated by the Reelin signaling pathway. </p><p>These studies represent the first in vivo characterization of PIK3C3 functions in mammals, and provide insight into the complexity and functional importance of neuronal endo-lysosomal and autophagic pathways.</p> / Dissertation

Nhx1 est un antiport vacuolaire de Na+/H+ chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nhx1 joue un rôle important dans le maintien de l’homéostasie ionique du cytoplasme de la cellule. En effet, la mutation du gène NHX1 chez la levure nhx1Δ entraîne une perte de l’homéostasie cellulaire quand les cellules sont cultivées dans un milieu de faible osmolarité. Ce travail rapporte pour la première fois, et contrairement à la cellule parentale, que la mutation du gène NHX1 a pour effet une sensibilité du mutant nhx1Δ à une variété des drogues et des agents cationiques et anioniques lorsque les cellules sont cultivées dans un milieu riche. En outre, dans ces conditions de culture, aucune sensibilité n’a été observée chez le mutant nhx1Δ quand les cellules sont traitées avec différentes concentrations de sel. Nous avons aussi démontré que la sensibilité du mutant nhx1Δ aux différents agents ainsi que la sécrétion de l’enzyme carboxypeptidase Y observé chez ce mutant n’ont pas été restauré lorsque les cellules sont cultivées dans des milieux avec différents pH ou avec différentes concentrations de sel. Enfin, une analyse génétique a révélé que le mutant nhx1Δ montre un phénotype distinct d’autres mutants qui ont un défaut dans le trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi quand ces cellules sont traitées avec différents agents. Cette analyse prouve que la sensibilité de nhx1Δ aux différents agents n’est pas liée au trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi. / Nhx1 is an intracellular Na+/H+ exchanger localized to the late endosome in Saccharomyces cerevisiae. It is believed that Nhx1 plays a major role in pH-mediated vesicle trafficking, as nhx1Δ mutant is defective in maintaining the intracellular pH in the vacuoles and cytoplasm when grown in low osmolarity media. In this work, we reported novel drug sensitivities of the nhx1Δ mutant to a range of cationic and anionic agents when cells are grown in rich media. Unlike the low osmolarity media, the nhx1Δ mutant showed no sensitivity to salt. Furthermore, we showed that the drug phenotypes of the nhx1Δ mutant, as well as the secretion of the vacuolar protein carboxypeptidase Y, were not rescued by either altering the pH or salt concentration. Although, amino acid substitution of the phylogenetically conserved residue Glu355 for Ala (E355A) in Nhx1 resulted in sensitivity to genotoxic drug bleomycin, it was not observed for the non-conserved residue Glu371Ala (E371A). Moreover, genetic analysis revealed that the nhx1Δ mutant displayed distinct drug phenotypes in comparison to mutants that are defective in retrograde trafficking from the prevacuole to the late Golgi, excluding the possibility that the drug sensitivity of the nhx1Δ mutant is related to retrograde trafficking.

Nhx1 est un antiport vacuolaire de Na+/H+ chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nhx1 joue un rôle important dans le maintien de l’homéostasie ionique du cytoplasme de la cellule. En effet, la mutation du gène NHX1 chez la levure nhx1Δ entraîne une perte de l’homéostasie cellulaire quand les cellules sont cultivées dans un milieu de faible osmolarité. Ce travail rapporte pour la première fois, et contrairement à la cellule parentale, que la mutation du gène NHX1 a pour effet une sensibilité du mutant nhx1Δ à une variété des drogues et des agents cationiques et anioniques lorsque les cellules sont cultivées dans un milieu riche. En outre, dans ces conditions de culture, aucune sensibilité n’a été observée chez le mutant nhx1Δ quand les cellules sont traitées avec différentes concentrations de sel. Nous avons aussi démontré que la sensibilité du mutant nhx1Δ aux différents agents ainsi que la sécrétion de l’enzyme carboxypeptidase Y observé chez ce mutant n’ont pas été restauré lorsque les cellules sont cultivées dans des milieux avec différents pH ou avec différentes concentrations de sel. Enfin, une analyse génétique a révélé que le mutant nhx1Δ montre un phénotype distinct d’autres mutants qui ont un défaut dans le trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi quand ces cellules sont traitées avec différents agents. Cette analyse prouve que la sensibilité de nhx1Δ aux différents agents n’est pas liée au trafic entre le compartiment pré-vacuolaire et l’appareil de Golgi. / Nhx1 is an intracellular Na+/H+ exchanger localized to the late endosome in Saccharomyces cerevisiae. It is believed that Nhx1 plays a major role in pH-mediated vesicle trafficking, as nhx1Δ mutant is defective in maintaining the intracellular pH in the vacuoles and cytoplasm when grown in low osmolarity media. In this work, we reported novel drug sensitivities of the nhx1Δ mutant to a range of cationic and anionic agents when cells are grown in rich media. Unlike the low osmolarity media, the nhx1Δ mutant showed no sensitivity to salt. Furthermore, we showed that the drug phenotypes of the nhx1Δ mutant, as well as the secretion of the vacuolar protein carboxypeptidase Y, were not rescued by either altering the pH or salt concentration. Although, amino acid substitution of the phylogenetically conserved residue Glu355 for Ala (E355A) in Nhx1 resulted in sensitivity to genotoxic drug bleomycin, it was not observed for the non-conserved residue Glu371Ala (E371A). Moreover, genetic analysis revealed that the nhx1Δ mutant displayed distinct drug phenotypes in comparison to mutants that are defective in retrograde trafficking from the prevacuole to the late Golgi, excluding the possibility that the drug sensitivity of the nhx1Δ mutant is related to retrograde trafficking.