Dendrite shape impacts functional connectivity and is mediated by organization and dynamics of cytoskeletal fibers. Identifying the molecular factors that regulate dendritic cytoskeletal architecture is therefore important in understanding the mechanistic links between cytoskeletal organization and neuronal function. We identified Formin 3 (Form3) as an essential regulator of cytoskeletal architecture in nociceptive sensory neurons in Drosophila larvae. Time course analyses reveal that Form3 is cell-autonomously required to promote dendritic arbor complexity. We show that form3 is required for the maintenance of a population of stable dendritic microtubules (MTs), and mutants exhibit defects in the localization of dendritic mitochondria, satellite Golgi, and the TRPA channel Painless. Form3 directly interacts with MTs via FH1-FH2 domains. Mutations in human inverted formin 2 (INF2; ortholog of form3) have been causally linked to Charcot-Marie-Tooth (CMT) disease. CMT sensory neuropathies lead to impaired peripheral sensitivity. Defects in form3 function in nociceptive neurons result in severe impairment of noxious heat-evoked behaviors. Expression of the INF2 FH1-FH2 domains partially recovers form3 defects in MTs and nocifensive behavior, suggesting conserved functions, thereby providing putative mechanistic insights into potential etiologies of CMT sensory neuropathies.

Abstract The acquisition, maintenance and modulation of dendritic architecture are critical to neuronal form, plasticity and function. Morphologically, dendritic shape impacts functional connectivity and is largely mediated by organization and dynamics of cytoskeletal fibers that provide the underlying scaffold and tracks for intracellular trafficking. Identifying molecular factors that regulate dendritic cytoskeletal architecture is therefore important in understanding mechanistic links between cytoskeletal organization and neuronal function. In a neurogenomic-driven genetic screen of cytoskeletal regulatory molecules, we identified Formin3 (Form3) as a critical regulator of cytoskeletal architecture in Drosophila nociceptive sensory neurons. Form3 is a member of the conserved Formin family of multi-functional cytoskeletal regulators and time course analyses reveal Form3 is cell-autonomously required for maintenance of complex dendritic arbors. Cytoskeletal imaging demonstrates form3 mutants exhibit a specific destabilization of the dendritic microtubule (MT) cytoskeleton, together with defective dendritic trafficking of mitochondria, satellite Golgi and the TRPA channel Painless. Biochemical studies reveal Form3 directly interacts with MTs via FH1-FH2 domains and promotes MT stabilization via acetylation. Neurologically, mutations in human Inverted Formin 2 ( INF2; ortholog of form3 ) have been causally linked to Charcot-Marie-Tooth (CMT) disease. CMT sensory neuropathies lead to impaired peripheral sensitivity. Defects in form3 function in nociceptive neurons results in a severe impairment in noxious heat evoked behaviors. Expression of the INF2 FH1-FH2 domains rescues form3 defects in MT stabilization and nocifensive behavior revealing conserved functions in regulating the cytoskeleton and sensory behavior thereby providing novel mechanistic insights into potential etiologies of CMT sensory neuropathies. Significance Statement Mechanisms governing cytoskeletal architecture are critical in regulating neural function as aberrations are linked to a broad spectrum of neurological and neurocognitive disorders. Formins are important cytoskeletal regulators however their mechanistic roles in neuronal architecture are poorly understood. We demonstrate mutations in Drosophila formin3 lead to progressive destabilization of the dendritic microtubule cytoskeleton resulting in severely reduced arborization coupled to impaired organelle and ion channel trafficking, as well as nociceptive sensitivity. INF2 mutations are implicated in CMT sensory neuropathies, and INF2 expression can rescue microtubule and nociceptive behavioral defects in form3 mutants. While CMT sensory neuropathies have been linked to defects in axonal development and myelination, our studies connect dendritic cytoskeletal defects with peripheral insensitivity suggesting possible alternative etiological bases.

Neurotrophism, structural plasticity, learning and long-term memory in mammals critically depend on neurotrophins binding Trk receptors to activate tyrosine kinase (TyrK) signalling, but Drosophila lacks full-length Trks, raising the question of how these processes occur in the fly. Paradoxically, truncated Trk isoforms lacking the TyrK predominate in the adult human brain, but whether they have neuronal functions independently of full-length Trks is unknown. Drosophila has TyrK-less Trk-family receptors, encoded by the kekkon (Kek) genes, suggesting that evolutionarily conserved functions for this receptor class may exist. Here, we asked whether Keks function together with Drosophila neurotrophins (DNTs) at the larval glutamatergic neuromuscular junction (NMJ). Starting with an unbiased approach, we tested the eleven LRR and Ig-containing (LIG) proteins encoded in the Drosophila genome for expression in the central nervous system (CNS) and potential interaction with DNTs. Kek-6 was expressed in the CNS, could rescue the cold semi-lethality of DNT1 DNT2 double mutants and could bind DNT2 both in signaling assays and in co-immunoprecipitations. There is promiscuity in ligand binding, as Kek-6 could also bind DNT1, and Kek-5 could also bind DNT2. In vivo, Kek-6 is found presynaptically in motoneurons, and binds DNT2 produced by the muscle, which functions as a retrograde factor at the NMJ. Kek-6 and DNT2 regulate NMJ growth, bouton formation and active zone homeostasis. Kek-6 does not antagonise the alternative DNT2 receptor Toll-6, but rather the two receptors contribute in distinct manners to NMJ structural plasticity. Using pull-down assays, we identified and validated CaMKII and VAP33A as intracellular partners of Kek-6, and show that together they regulate structural synaptic plasticity. These functions of Kek-6 could be evolutionarily conserved, raising the intriguing possibility that a novel mechanism of structural synaptic plasticity involving truncated Trk-family receptors independently of TyrK signaling may also operate in the human brain.