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Microscopical and genetic analysis to identify peptide release sites and their molecular composition / Mikroskopische und genetische Analyse zur Identifikation von PDF Ausschüttungsstellen und deren molekularer KompositionHofbauer, Benedikt R. January 2024 (has links) (PDF)
The neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF) is a key player to orchestrate the central clock of Drosophila melanogaster. In the fly brain PDF is expressed by the ventral lateral neurons which are the central pacemakers of the Drosophila circadian system and therefore align different clock neurons and modulate downstream circuits. The terminals of the small ventral lateral neurons (s-LNv) undergo daily circadian morphological changes which also affects the synaptic organization of these neurons. However, PDF function and release seems to be unaffected by the circadian plasticity. In Drosophila presynaptic sites are organized by the active zone protein Bruchpilot (BRP), a homolog of the mammalian ELKS protein. BRP and other active zone scaffold proteins are crucial for the recruiting and membrane fusion of small synaptic vesicles that contain amino-acid or monoamide transmitters. Neuropeptides, like PDF, are produced from larger preproproteins within the regulated secretory pathway. The preproproteins are directed to the lumen of the rough endoplasmic reticulum where, after removal of the signal peptide, the resulting proprotein can be modified and is then exported to the trans-Golgi network. Finally, the proproteins are packaged within dense-core vesicles (DCV) and transported to release sites. Within the trans-Golgi and the dense-core vesicles, the bioactive peptides are processed from the proprotein by a set of specific enzymes. Neuropeptide release sites seem to be non-correlated to active zones (AZ), indicating an independence of PDF release from synaptic scaffold proteins. This study aims to elucidate the relevance of AZ for the release of neuropeptides, especially for PDF, by taking both anatomical and functional aspects into consideration. I employed endogenous BRP labeling to examine the spatial correlation between immunolabeled PDF-containing DCV and BRP-labeled AZs in the s-LNv. The number of BRP-labeled puncta in the s-LNv terminals remained stable between morning (Zeitgeber time 2) and night (Zeitgeber time 14) but the puncta-density changed during circadian plasticity. This is an indicator for recycling of BRP in the s-LNv terminals. The relative distance between BRP- and PDF-labeled puncta was higher in the morning, around the reported time of PDF release. This is also the time of day when the terminal arborization complexity is most prominent. Investigation of the publically available ssTEM dataset (FAFB) suggests that spontaneous DCV release profiles in the s-LNv lacked spatial correlation to BRP-organized AZs (T-bars). Functional impairment of PDF signaling via RNAi expression in the sLNvs leads to a shift of circadian locomotor activity and a weaker rhythmicity under constant darkness. Both were not affected by downregulation of brp in the s-LNvs. However, the knockdown of the peptide release factor cadps or proteins involved in the SNARE complex significantly impaired rhythmic strength. To further investigate the impact of brp knockdown in DCV release, I employed another RNAi screen in the Inka cells, which produce the ecdysis triggering hormone (ETH). Knockdown of eth, cadps and SNARE proteins led to severely impaired behaviour, while knockdown of brp and other AZ scaffold proteins did not phenocopy the impairment of ETH signaling. Taken together, the data collected in this study suggest that DCV release of PDF and ETH is independent of BRP-organized AZs, supporting the hypothesis of different release processes for neuropeptides and classical neurotransmitters. Further investigations are necessary to elucidate the recruitment and targeting of DCV release. Anatomical investigation of CNS in the Drosophila brain proves challenging for structures that are as tiny as ACs since their size lies beyond the diffraction limit of light. Many studies employ electron microscopy (EM) to visualize structures in the scale of nanometers. However, fixation methods for EM reduce the toolset for immunostaining methods because epitopes, neccessary to identify the regions of interests (ROIs) in histology samples are blocked or denaturated. Correlative light and electron microscopy (CLEM) offer a solution to this dilemma by combining the best of both worlds. In this study I adjusted a protocol, which was originally published for C. elegans to Drosophila brain-tissue samples. I was able to label PDF immunostained on serial plastic sections and reconstruct a ROI with a z-resolution of 100nm. / Das Neuropeptid Pigment-Dispersing Factor (PDF) spielt eine Schlüsselrolle bei der
Steuerung der zentralen Uhr von Drosophila melanogaster. Im Fliegenhirn wird PDF
von den ventralen lateralen Neuronen exprimiert, welche die zentralen Schrittmacher
des zirkadianen Systems von Drosophila sind und daher verschiedene Uhrneuronen
synchronisieren und nachgeschaltete Schaltkreise modulieren. Die Endigungen der
kleinen ventrolateralen Neuronen (s-LNv) unterliegen täglichen zirkadianen morpho-
logischen Veränderungen, welche auch die synaptische Organisation dieser Neuronen
beeinflussen. Die Funktion und Freisetzung von PDF scheint jedoch von der zirka-
dianen Plastizität unbeeinflusst zu sein. In Drosophila werden präsynaptische Stel-
len durch das aktive Zonen Protein Bruchpilot (BRP), einem Homolog des ELKS-
Proteins der Säugetiere, organisiert. BRP und andere Gerüstproteine der aktiven
Zone sind entscheidend für die Rekrutierung und Membranfusion kleiner synapti-
scher Vesikel, die Aminosäure- oder Monoamid-Transmitter enthalten.
Neuropeptide werden wie PDF aus größeren Präproproteinen im Rahmen des re-
gulierten Sekretionsweges hergestellt. Die Präproproteine werden in das Lumen des
rauen Endoplasmatischen Retikulums (ER) geleitet, wo das resultierende Proprotein
nach Entfernung des Signalpeptids modifiziert werden kann und dann in das trans-
Golgi-Netzwerk exportiert wird. Schließlich werden die Proproteine in Dense-Core-
Vesikel (DCV) verpackt und zu den Stellen, an denen sie freigesetzt werden, trans-
portiert. Innerhalb des trans-Golgi-Netzwerks und der ”dense-core-vesicles”(DCVs)
werden die bioaktiven Peptide durch eine Reihe spezifischer Enzyme aus dem Pro-
protein prozessiert. Freisetzungsstellen für Neuropeptide scheinen nicht mit akti-
ven Zonen (AZ) zu korrelieren, was auf eine Unabhängigkeit der PDF-Freisetzung
von synaptischen Gerüstproteinen hinweist. Ziel dieser Studie war es, die Bedeu-
tung der AZ für die Freisetzung von Neuropeptiden, insbesondere von PDF, unter
Berücksichtigung sowohl anatomischer als auch funktioneller Aspekte aufzuzeigen.
Um die räumliche Korrelation zwischen immunmarkierten PDF-haltigen DCVs und
BRP-markierten AZs in s-LNvs zu untersuchen, nutzte ich endogene BRP-Markierung.
Die Anzahl der BRP Punkte in den s-LNv-Endigungen blieb zwischen Morgen (Zeit-
geberzeit 2) und Nacht (Zeitgeberzeit 14) stabil, aber die Punktdichte veränderte
sich während der zirkadianen Plastizität. Dies ist ein Indikator für das Recycling
von BRP in den s-LNv Endigungen. Der relative Abstand zwischen BRP- und PDF-
markierten Punkten war am Morgen größer, etwa zum angegebenen Zeitpunkt der
PDF-Freisetzung. Dies ist auch die Tageszeit, zu der die Komplexität der Endigungs-
verzweigung am stärksten ausgeprägt ist. Die Untersuchung des frei zugänglichen
ssTEM-Datensatzes (FAFB) deutet darauf hin, dass die Profile der spontanen DCV-
Freisetzung im s-LNv keine räumliche Korrelation zu den durch BRP organisierten
aktiven Zonen (T-Bars) aufweisen. Eine funktionelle Beeinträchtigung der PDF-
Signalübertragung durch RNAi-Expression in den s-LNvs führt zu einer Verschie-
bung der zirkadianen Bewegungsaktivität und einer schwächeren Rhythmik bei kon-
stanter Dunkelheit. Beides wurde durch die Herunterregulierung von brp in den s-
LNvs nicht beeinflusst. Die Deaktivierung des Peptidfreisetzungsfaktors Cadps oder
von Proteinen, die am SNARE-Komplex beteiligt sind, beeinträchtigte die rhythmi-
sche Stärke jedoch signifikant. Um die Auswirkungen der Ausschaltung von brp auf
die DCV-Freisetzung weiter zu untersuchen führte ich einen weiteren RNAi-Screen
in den Inka-Zellen durch, die das Ecdysis triggering hormone (ETH) produzieren.
Die Ausschaltung von ETH, CADPS und SNARE-Proteinen führte zu einer starken
Beeinträchtigung des Schlupfverhaltens, während die Ausschaltung von BRP und
anderen Gerüstproteinen der AZ den ETH-defizitären Phänotyp nicht kopierte.
Insgesamt deuten die in dieser Studie gesammelten Daten darauf hin, dass die DCV-
Freisetzung von PDF und ETH unabhängig von BRP-organisierten AZs stattfindet,
was die Hypothese unterschiedlicher Freisetzungsprozesse für Neuropeptide und klas-
sische Neurotransmitter stützt. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Rekru-
tierung und das Targeting der DCV-Freisetzung zu klären.
Die anatomische Untersuchung des ZNS im Drosophila-Gehirn erweist sich bei so
winzigen Strukturen wie den AZs als schwierig, da ihre Größe jenseits der Beugungs-
grenze des Lichts liegt. Viele Studien nutzen die Elektronenmikroskopie (EM), um
Strukturen im Nanometerbereich sichtbar zu machen. Die Fixierungsmethoden für
die EM schränken jedoch das Instrumentarium für Immunfärbemethoden ein, da
Epitope, die zur Identifizierung der relevanten Regionen (ROIs) in histologischen
Proben notwendig sind, blockiert oder denaturiert werden. Korrelative Licht- und
Elektronenmikroskopie (CLEM) bieten eine Lösung für dieses Dilemma, indem sie
das Beste aus beiden Welten kombinieren. In dieser Studie habe ich ein Protokoll, das
ursprünglich für C. elegans veröffentlicht wurde, an Drosophila-Gehirngewebeproben
angepasst. Ich konnte PDF-Immunfärbungen auf seriellen Plastikschnitten markie-
ren und eine ROI mit einer z-Auflösung von 100 nm rekonstruieren
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