Eclosion is the emergence of an adult insect from the pupal case at the end of development. In the fruit fly Drosophila melanogaster, eclosion is a circadian clock-gated event and is regulated by various peptides. When studied on the population level, eclosion reveals a clear rhythmicity with a peak at the beginning of the light-phase that persists also under constant conditions. It is a long standing hypothesis that eclosion gating to the morning hours with more humid conditions is an adaption to reduce water loss and increase the survival. Eclosion behavior, including the motor pattern required for the fly to hatch out of the puparium, is orchestrated by a well-characterized cascade of peptides. The main components are ecdysis-triggering hormone (ETH), eclosion hormone (EH) and crustacean cardioactive peptide (CCAP). The molt is initiated by a peak level and pupal ecdysis by a subsequent decline of the ecdysteroid ecdysone. Ecdysteroids are produced by the prothoracic gland (PG), an endocrine tissue that contains a peripheral clock and degenerates shortly after eclosion. Production and release of ecdysteroids are regulated by the prothoracicotropic hormone (PTTH). Although many aspects of the circadian clock and the peptidergic control of the eclosion behavior are known, it still remains unclear how both systems are interconnected. The aim of this dissertation research was to dissect this connection and evaluate the importance of different Zeitgebers on eclosion rhythmicity under natural conditions. Potential interactions between the central clock and the peptides regulating ecdysis motor behavior were evaluated by analyzing the influence of CCAP on eclosion rhythmicity. Ablation and silencing of CCAP neurons, as well as CCAP null-mutation did not affect eclosion rhythmicity under either light or temperature entrainment nor under natural conditions. To dissect the connection between the central and the peripheral clock, PTTH neurons were ablated. Monitoring eclosion under light and temperature entrainment revealed that eclosion became arrhythmic under constant conditions. However, qPCR expression analysis revealed no evidence for cycling of Ptth mRNA in pharate flies. To test for a connection with pigment-dispersing factor (PDF)-expressing neurons, the PDF receptor (PDFR) and short neuropeptide F receptor (sNPFR) were knocked down in the PTTH neurons. Knockdown of sNPFR, but not PDFR, resulted in arrhythmic eclosion under constant darkness conditions. PCR analysis of the PTTH receptor, Torso, revealed its expression in the PG and the gonads, but not in the brain or eyes, of pharate flies. Knockdown of torso in the PG lead to arrhythmicity under constant conditions, which provides strong evidence for the specific effect of PTTH on the PG. These results suggest connections from the PDF positive lateral neurons to the PTTH neurons via sNPF signaling, and to the PG via PTTH and Torso. This interaction presumably couples the period of the peripheral clock in the PG to that of the central clock in the brain. To identify a starting signal for eclosion and possible further candidates in the regulation of eclosion behavior, chemically defined peptidergic and aminergic neurons were optogenetically activated in pharate pupae via ChR2-XXL. This screen approach revealed two candidates for the regulation of eclosion behavior: Dromyosuppressin (DMS) and myo-inhibitory peptides (MIP). However, ablation of DMS neurons did not affect eclosion rhythmicity or success and the exact function of MIP must be evaluated in future studies. To assess the importance of the clock and of possible Zeitgebers in nature, eclosion of the wildtype Canton S and the clock mutant per01 and the PDF signaling mutants pdf01 and han5304 was monitored under natural conditions. For this purpose, the Würzburg eclosion monitor (WEclMon) was developed, which is a new open monitoring system that allows direct exposure of pupae to the environment. A general decline of rhythmicity under natural conditions compared to laboratory conditions was observed in all tested strains. While the wildtype and the pdf01 and han5304 mutants stayed weakly rhythmic, the per01 mutant flies eclosed mostly arrhythmic. PDF and its receptor (PDFR encoded by han) are required for the synchronization of the clock network and functional loss can obviously be compensated by a persisting synchronization to external Zeitgebers. The loss of the central clock protein PER, however, lead to a non-functional clock and revealed the absolute importance of the clock for eclosion rhythmicity. To quantitatively analyze the effect of the clock and abiotic factors on eclosion rhythmicity, a statistical model was developed in cooperation with Oliver Mitesser and Thomas Hovestadt. The modelling results confirmed the clock as the most important factor for eclosion rhythmicity. Moreover, temperature was found to have the strongest effect on the actual shape of the daily emergence pattern, while light has only minor effects. Relative humidity could be excluded as Zeitgeber for eclosion and therefore was not further analyzed. Taken together, the present dissertation identified the so far unknown connection between the central and peripheral clock regulating eclosion. Furthermore, a new method for the analysis of eclosion rhythms under natural conditions was established and the necessity of a functional clock for rhythmic eclosion even in the presence of multiple Zeitgebers was shown. / Der Schlupf adulter Fliegen aus dem Puparium wird in der Taufliege Drosophila melanogaster zum einen von der inneren Uhr und zum anderen von Peptiden gesteuert. Beobachtet man den Schlupf auf der Populationsebene, lässt sich erkennen, dass die meisten Fliegen zu Beginn der Lichtphase schlüpfen. Diese Rhythmizität im Schlupfverhalten von Fliegenpopulationen hält auch unter konstanten Bedingungen an. Seit langer Zeit wird angenommen, dass der Schlupf am Morgen eine Anpassung an feuchte Bedingungen ist, wodurch der Wasserverlust verringert und die Überlebenswahrscheinlichkeit erhöht werden könnte. Das stereotype motorische Schlupfverhalten, mit dem sich die Fliege aus der Puppenhülle befreit, wird durch das gut untersuchte Zusammenspiel zahlreicher Peptide gesteuert. Die wichtigsten Peptide sind hierbei das ecdysis-triggering hormone (ETH), das Schlupfhormon (EH) und das crustacean cardioactive peptide (CCAP). Wie bei jedem Schlupf wird die Häutung durch eine stark erhöhte Produktion des Ecdysteroids Ecdyson ausgelöst. Der anschließende Abfall der Ecdyson-Titer löst dann den Adultschlupf aus. Ecdysteroide werden in der Prothorakaldrüse (PD) gebildet, die eine periphere Uhr besitzt und kurz nach dem Adultschlupf zurückgebildet wird. Das prothorakotrope Hormon (PTTH) reguliert sowohl die Produktion als auch die Freisetzung der Ecdysteroide aus der PD. Obwohl bereits viel über den Aufbau und die Funktionsweise der inneren Uhr und der Kontrolle des Adultschlupfes durch Peptide bekannt ist, weiß man bisher nicht, wie beide Systeme miteinander interagieren. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, einerseits diese Verbindung zu untersuchen und andererseits die Gewichtung verschiedener Zeitgeber für den Adultschlupf unter natürlichen Bedingungen zu bewerten. Um eine mögliche Verbindung zwischen der zentralen Uhr und den Peptiden, die das motorische Verhalten während des Schlupfes steuern, zu untersuchen, wurde der Einfluss von CCAP auf die Schlupfrhythmik betrachtet. Hierzu wurden die CCAP-exprimierenden Neurone genetisch ablatiert oder elektrisch stillgelegt, sowie zusätzlich eine CCAP-defiziente Mutante getestet. Weder unter künstlichen Licht- oder Temperaturzyklen, noch unter natürlichen Bedingungen wurden Effekte auf den Schlupfrhythmus bei veränderter CCAP Verfügbarkeit beobachtet. Die Verbindung zwischen der zentralen und der peripheren Uhr der PD wurde untersucht, indem die PTTH-exprimierenden Neurone in Fliegen ablatiert wurden. Dies führte sowohl unter konstanten Licht- als auch Temperaturbedingungen zu arrhythmischem Schlupf der Populationen. Die Analyse der Expression von Ptth mRNA mittels qPCR lieferte keine Hinweise auf eine zyklische Regulation des Ptth Transkripts in pharaten Tieren. Um eine Verbindung zu pigment-dispersing factor (PDF)-exprimierenden Uhrneuronen nachzuweisen, wurden die Rezeptoren von PDF (PDFR) und dem short Neuropeptide F (sNPFR) in den PTTH- Neuronen herunterreguliert. Nur der Verlust von sNPFR führte unter konstanten Bedingungen zu arrhythmischem Schlupf. RT-PCR-Analyse der mRNA Expression des Rezeptors von PTTH, Torso, ergab, dass torso mRNA in pharaten Fliegen nur in der PD und in den Gonaden exprimiert wird, nicht jedoch im Gehirn. Das Herrunterregulieren der torso mRNA in der PD führte unter konstanten Bedingungen zu arrhythmischem Schlupf und lieferte deutliche Hinweise zur spezifischen Funktion von PTTH in der PD. Diese Ergebnisse zeigen eine sNPF-vermittelte Verbindung zwischen den PDF-positiven lateralen Neuronen und den PTTH-Neuronen, welche über PTTH und Torso weiter bis in die PD reicht. Durch diese Verbindung wird vermutlich die Periode der peripheren Uhr in der PD an die Periode der zentralen Uhr im Gehirn angepasst. Um ein Startsignal für den Adultschlupf und weitere mögliche Kandidaten, die eine Rolle in der Steuerung des Schlupfes spielen, zu identifizieren, wurden chemisch definierte kleine Gruppen peptiderger und aminerger Neurone optogenetisch durch das Kanalrhodopsin ChR2-XXL aktiviert. In dieser Testreihe wurden Dromyosuppressin (DMS) und myoinhibitorisches Peptid (MIP) als mögliche Kandidaten ermittelt. Eine Ablation der DMS-Neurone hatte jedoch keine Auswirkungen auf Schlupfrhythmik und -erfolg. Die genaue Funktion von MIP sollte in zukünftigen Experimenten untersucht werden. Um die Gewichtung der Uhr und möglicher Zeitgeber für das natürliche Verhalten zu bestimmen, wurde der Schlupf des Wildtyps Canton S, der Uhrmutante per01 sowie der PDF-Signalwegsmutanten pdf01 und han5304 (han codiert für den PDFR) unter natürlichen Bedingungen beobachtet. Hierfür wurde ein neues und offenes Aufzeichnungssystem entwickelt: der Würzburger Schlupfmonitor (WEclMon), der einen direkten Kontakt der Puppen mit den sie umgebenden abiotischen Bedingungen ermöglicht. Im Vergleich zu Laborbedingungen war die Rhythmizität des Schlupfes unter natürlichen Bedingungen in allen getesteten Fliegenlinien weniger ausgeprägt. Während der Wildtyp sowie die pdf01 und han5304 Mutanten weiterhin schwach rhythmisch schlüpften, schlüpfte die per01 Mutante hauptsächlich arrhythmisch. Das Zusammenspiel zwischen PDF und seinem Rezeptor synchronisiert das Uhrnetzwerk, und der Verlust dieser Interaktion kann durch tägliches neues Ausrichten an den Zeitgebern ausgeglichen werden. Der Verlust des Uhrproteins PER unterbindet jedoch die komplette Funktionsfähigkeit der Uhr. Dadurch wird die Notwendigkeit der Uhr für einen rhythmischen Schlupf unterstrichen. Um den Einfluss der Uhr und abiotischer Faktoren auf den Schlupfrhythmus zu untersuchen, wurde im Rahmen einer Kooperation mit Oliver Mitesser und Thomas Hovestadt ein statistisches Modell entwickelt. Die Ergebnisse der Modellierung unterstützen die Hypothese, dass die Uhr der wichtigste Faktor für einen rhythmischen Schlupf auch unter Zeitgeber-Bedingungen ist. Die Umgebungstemperatur übt hingegen den stärksten Einfluss auf die Form des täglichen Schlupfmusters aus, während Licht hier nur einen schwachen Einfluss hat. Es konnte gezeigt werden, dass sich relative Luftfeuchtigkeit nicht als Zeitgeber für den Schlupf eignet, weshalb sie in weiteren Untersuchungen nicht berücksichtigt wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der vorliegenden Arbeit die Verbindung zwischen der zentralen und peripheren Uhr in der Steuerung des Schlupfes identifiziert werden konnten, die bisher nicht bekannt war. Außerdem wurde eine neue Methode der Untersuchung des Adultschlupfes unter natürlichen Bedingungen etabliert und die Notwendigkeit einer intakten Uhr für einen rhythmischen Adultschlupf selbst in Anwesenheit mehrerer Zeitgeber konnte herausgestellt werden.

Tübingen, Univ., Diss., 2004.

Regensburg, Univ., Diss., 2008.

The rotation of the earth around its own axis determines periodically changing environmental conditions, like alterations in light and temperature. For the purpose of adapting all organisms’ behavior, physiology and metabolism to recurring changes, endogenous clocks have evolved, which allow the organisms to anticipate environmental changes. In chronobiology, the scientific field dealing with the investigation of the underlying mechanisms of the endogenous clock, the fruit fly Drosophila melanogaster serves as a beneficial model organism. The fruit fly’s circadian clock exhibits a rather simple anatomical organization, but nevertheless constitutes homologies to the mammalian system. Thus also in this PhD-thesis the fruit fly was used to decipher general features of the circadian clock’s interneuronal communication. Drosophila melanogaster’s circadian clock consists of about 150 clock neurons, which are located in the central nervous system of the fly. These clock neurons can be subdivided regarding to their anatomical position in the brain into the dorsal neurons (DN1s, DN2s, DN3s), as well as into the lateral neurons (LPNs, LNds, s-LNvs, l-LNvs). Functionally these clock neuron clusters can be classified as Morning- and Evening oscillators (M- and E- oscillators), driving different parts of the fly’s locomotor activity in light-dark conditions (LD). The Morning-oscillators are represented by the s-LNvs and are known to be the main pacemakers, driving the pace of the clock in constant conditions (constant darkness; DD). The group of Evening-oscillators consists of the LNds, the DN1s and the 5th s-LNv and is important for the proper timing of the evening activity in LD. All of these clock neurons are not functionally independent, but form complex neuronal connections, which are highly plastic in their response to different environmental stimuli (Zeitgebers), like light or temperature. Even though a lot is known about the function and the importance of some clock neuron clusters, the exact interplay between the neurons is not fully known yet. To investigate the mechanisms, which are involved in communication processes among different clock neurons, we depolarized specific clock cells in a temporally and cell-type restricted manner using dTrpA1, a thermosensitive cation channel, which allows the depolarization of neurons by application of temperature pulses (TP) above 29°C to the intact and freely moving fly. Using different clock specific GAL4-driver lines and applying TPs at different time points within the circadian cycle in DD enabled us with the help of phase shift experiments to draw conclusions on the properties of the endogenous clock. The obtained phase shifts in locomotor behavior elicited by specific clock neuronal activation were plotted as phase response curves (PRCs). The depolarization of all clock neurons shifted the phase of activity the strongest, especially in the delay zone of the PRC. The exclusive depolarization of the M oscillators together with the l-LNvs (PDF+ neurons: s-LNvs & l-LNvs) caused shifts in the delay and in the advance zone as well, however the advances were severely enhanced in their temporal occurrence ranging into the subjective day. We concluded that light might have inhibitory effects on the PDF+ cells in that particular part of the PRC, as typical light PRCs do not exhibit that kind of distinctive advances. By completely excluding light in the PRC-experiments of this PhD-thesis, this photic inhibitory input to the PDF+ neurons is missing, probably causing the broadened advance zone. These findings suggest the existence of an inhibitory light-input pathway to the PDF+ cells from the photoreceptive organs (Hofbauer-Buchner eyelet, photoreceptor cells of compound eyes, ocelli) or from other clock neurons, which might inhibit phase advances during the subjective day. To get an impression of the molecular state of the clock in the delay and advance zone, staining experiments against Period (PER), one of the most important core clock components, and against the neuropeptide Pigment Dispersing Factor (PDF) were performed. The cycling of PER levels mirrored the behavioral phase shifts in experimental flies, whereas the controls were widely unaffected. As just those neurons, which had been depolarized, exhibited immediate shifted PER oscillations, this effect has to be rapidly regulated in a cell-autonomous manner. However, the molecular link between clock neuron depolarization and shifts in the molecular clock’s cycling is still missing. This issue was addressed by CREB (cAMP responsive element binding protein) quantification in the large ventrolateral neurons (l-LNvs), as these neurons responded unexpectedly and strongest to the artificial depolarization exhibiting a huge increase in PER levels. It had been previously suggested that CREB is involved in circadian rhythms by binding to regulatory sequences of the period gene (Belvin et al., 1999), thus activating its transcription. We were able to show, that CREB levels in the l-LNvs are under circadian regulation, as they exhibit higher CREB levels at the end of the subjective night relative to the end of the subjective day. That effect was further reinforced by artificial depolarization, independently of the time point of depolarization. Furthermore the data indicate that rises in CREB levels are coinciding with the time point of increases of PER levels in the l-LNvs, suggesting CREB being the molecular link between the neuronal electrical state and the molecular clock. Taking together, the results indicate that a temporal depolarization using dTrpA1 is able to significantly phase shift the clock on the behavioral and protein level. An artificial depolarization at the beginning of the subjective night caused phase delays, whereas a depolarization at the end of the subjective night resulted in advances. The activation of all clock neurons caused a PRC that roughly resembled a light-PRC. However, the depolarization of the PDF+ neurons led to a PRC exhibiting a shape that did not resemble that of a light-mediated PRC, indicating the complex processing ability of excitatory and inhibitory input by the circadian clock. Even though this experimental approach is highly artificial, just the exclusion of light-inputs enabled us to draw novel conclusions on the network communication and its light input pathways. / Die Rotation der Erde um ihre eigene Achse hat periodisch verändernde Umweltbedingungen, wie beispielsweise Veränderungen in den Lichtverhältnissen und der Temperatur, zur Folge. Um das Verhalten, die Physiologie und den Metabolismus eines Organismus an stets wiederkehrende Veränderungen anzupassen, haben sich endogene/circadiane Uhren entwickelt, die es dem Organismus erlauben diese Umweltbedingungen zu antizipieren. In der Chronobiologie, einem wissenschaftlichen Fachbereich, der sich mit der Untersuchung der zugrunde liegenden Mechanismen der Inneren Uhr befasst, dient die Taufliege Drosophila melanogaster als nützlicher Modellorganismus. Die Innere Uhr der Taufliege ist anatomisch eher einfach organisiert, weist trotz alledem jedoch Homologien zum Säugersystem auf. Auch im Rahmen dieser Doktorarbeit diente die Taufliege daher dazu grundlegende Netzwerkeigenschaften der circadianen Uhr zu untersuchen. Die Innere Uhr von Drosophila melanogaster besteht aus ungefähr 150 Uhrneuronen, die sich im zentralen Nervensystem der Fliege befinden. Diese Uhrneurone können, bezüglich ihrer anatomischen Position im Gehirn in die Gruppe der dorsalen Neurone (DN1, DN2, DN3), sowie in die der lateralen Neurone untergliedert werden (LPN, LNd, s-LNv, l-LNv). Funktionell werden diese Uhrneuronengruppen als Morgen- und Abendoszillatoren (M- und E-Oszillatoren) klassifiziert, da sie für unterschiedliche Verhaltensanteile in der Laufaktivität der Fliege unter Licht-Dunkel-Verhältnissen (LD) verantwortlich sind. Die s-LNv stellen dabei die Morgenoszillatoren (M-Oszillatoren) dar und werden als Hauptschrittmacher betrachtet, da sie die Geschwindigkeit der Uhr unter konstanten Bedingungen (Dauerdunkel; DD) bestimmen. Die Gruppe der Abendoszillatoren (EOszillatoren) besteht aus den LNd, einigen DN1 und der fünften s-LNv (5th s-LNv) und ist für die richtige Terminierung der Abendaktivität in LD zuständig. All diese Uhrneurone sind funktionell nicht unabhängig voneinander, sondern bilden komplexe neuronale Verschaltungen untereinander aus, die durch einen hohen Grad an Plastizität bezüglich ihrer Reaktion auf unterschiedliche Umweltparameter (Zeitgeber), wie Licht oder Temperatur, gekennzeichnet sind. Obwohl bereits vieles hinsichtlich der Funktion und der Bedeutung einiger Gruppen von Uhrneuronen bekannt ist, ist das genaue Zusammenspiel unter ihnen immer noch recht unklar. Um die Mechanismen, die in den Kommunikationsprozessen zwischen verschiedenen Uhrneuronen involviert sind, zu untersuchen, machten wir Gebrauch von dTrpA1, einem thermosensitiven Kationenkanal, der es durch die Applizierung von Temperaturpulsen (TP) über 29°C ermöglicht, Neuronen in der intakten und sich frei bewegenden Fliege zeitlich begrenzt und zellspezifisch zu depolarisieren. Mithilfe verschiedener Uhr-spezifischer GAL4-Treiberlinien und der Verabreichung von TP zu verschiedenen Zeitpunkten des circadianen Zyklus in DD, war es uns möglich Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Inneren Uhr anhand von Phasen-Verschiebungsexperimenten zu ziehen. Die hervorgerufenen Phasenverschiebungen im Laufverhalten, die durch die Aktivierung spezieller Uhrneuronen hervorgerufen wurden, wurden dabei als Phasen Responz Kurve (engl. phase response curve; PRC) dargestellt. Die Depolarisierung aller Uhrneurone verschob die Phase der Aktivität am stärksten, insbesondere in der Phasen-Verzögerungszone der PRC. Wurden ausschließlich die M-Oszillatoren zusammen mit den l-LNv (PDF+ Neurone: s-LNv & l-LNv) depolarisiert, wurden ebenso Phasenverschiebungen nach vorne, wie auch nach hinten hervorgerufen, jedoch reichten die Verschiebungen nach vorne deutlich in den subjektiven Tag hinein. Daraus schlussfolgerten wir, dass Licht inhibitorischen Einfluss in diesem Bereich der PRC haben muss, da typische Licht-PRCs nicht derart ausgeprägte Vorverschiebungen aufweisen. Aufgrund des vollständigen Lichtausschlusses in den PRC-Versuchen dieser Doktorarbeit fehlt jedoch dieser Licht-vermittelte inhibitorische Einfluss zu den PDF+ Neuronen und führt daher zur zeitlich stark ausgeprägten Phasen-Vorverschiebungszone. Diese Ergebnisse lassen daher vermuten, dass ein inhibitorisch wirkender Licht-vermittelter Eingang zu den PDF+ Neuronen von den photorezeptiven Organen (Hofbauer-Buchner Äuglein, Photorezeptoren der Komplexaugen, Ocellen) oder von anderen Uhrneuronen existieren muss, der die Phasen-Vorverschiebungen während des subjektiven Tages unterdrückt. Um Kenntnis über den molekularen Status der Uhr in der Verzögerungs- und Phasen-Vorverschiebungszone zu erlangen, wurden Färbungen gegen das Protein Period (PER), eines der zentralen Bestandteile der Inneren Uhr und gegen das Neuropeptid Pigment Dispersing Factor (PDF) angefertigt. Der zeitliche Verlauf im Auf- und Abbau des PER Proteins spiegelte die Phasenverschiebungen im Verhalten der Experimentalfliegen wider, wohingegen die Kontrollen weitestgehend unauffällig blieben. Zudem waren nur diejenigen Neurone von einer unmittelbaren Verschiebung der PER Protein Oszillation betroffen, die depolarisiert wurden, was auf einen schnellen Zell-autonomen Prozess schließen lässt. Die molekulare Verknüpfung, die zwischen der Depolarisation der Uhrneuronen und der Verschiebung der molekularen Uhr-Oszillation fungiert, ist immer noch unbekannt. Diesem Thema wurde nachgegangen, indem CREB (engl. cAMP responsive element binding protein) in den großen ventrolateralen Neuronen (l-LNv) quantifiziert wurde, da diese Neuronen unerwarteterweise und am wirksamsten auf die artifizielle Depolarisation mit einer starken PER-Akkumulation reagiert haben. In vorherigen Arbeiten wurde bereits angenommen, dass CREB in die circadiane Rhythmik involviert sei, indem es an Regulationssequenzen des period Gens bindet (Belvin et al., 1999) und somit dessen Transkription aktiviert. Wir konnten zeigen, dass die Menge an CREB Protein in den l-LNv circadian reguliert wird, da diese am Ende der subjektiven Nacht im Vergleich zum Ende des subjektiven Tages deutlich erhöht ist. Dieser Effekt konnte durch die artifizielle Depolarisation, aber unabhängig von deren Zeitpunkt, weiter verstärkt werden. Zudem deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Akkumulation des CREB Proteins mit dem Zeitpunkt des Anstiegs des PER Proteins in den l-LNv koinzidiert. Das lässt die Vermutung zu, dass CREB als molekulare Verbindung zwischen dem elektrischen neuronalen Status und der molekularen Uhr dienen kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die zeitlich begrenzte Depolarisation mithilfe von dTrpA1 signifikante Phasenverschiebungen im Verhalten wie auch auf der Proteinebene hervorrufen kann. Eine artifizielle Depolarisation zu Beginn der subjektiven Nacht verursacht Phasenverschiebungen nach hinten, wohingegen eine Depolarisation zum Ende der subjektiven Nacht Phasenverschiebungen nach vorne zur Folge hat. Die Aktivierung aller Uhrneurone brachte eine PRC hervor, die weitestgehend einer Licht-PRC gleicht. Die Depolarisierung der PDF+ Zellen hingegen ergab eine PRC, die sich insbesondere bezüglich der ausgeprägten Phasen-Vorverschiebungszone von einer Licht-vermittelten PRC unterscheidet. Die Innere Uhr scheint somit die Fähigkeit zu besitzen, exzitatorische und inhibitorische Eingänge in komplexer Art und Weise zu verarbeiten. Obwohl der in dieser Doktorarbeit gewählte experimentelle Ansatz hochgradig artifiziell ist, war es uns gerade durch den Ausschluss von Licht möglich, neue Schlussfolgerungen bezüglich der Kommunikation innerhalb des Netzwerks und dessen Lichtinformations-Eingänge zu ziehen.

Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2009

Regensburg, Univ., Diss., 2008.

Endogenous clocks help animals to anticipate the daily environmental changes. These internal clocks rely on environmental cues, called Zeitgeber, for synchronization. The molecular clock consists of transcription-translation feedback loops and is located in about 150 neurons (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich-Förster, 2005). The core clock has the proteins Clock (CLK) and Cycle (CYC) that together act as a transcription activator for period (per) and timeless (tim) which then, via PER and TIM block their own transcription by inhibiting CLK/CYC activity (Darlington et al., 1998; Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008). Light signals trigger the degradation of TIM through a blue-light sensing protein Cryptochrome (CRY) and thus, allows CLK/CYC to resume per and tim transcription (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998). Therefore, light acts as an important Zeitgeber for the clock entrainment. The mammalian clock consists of similarly intertwined feedback loops. Endogenous clocks facilitate appropriate alterations in a variety of behaviors according to the time of day. Also, these clocks can provide the phase information to the memory centers of the brain to form the time of day related associations (TOD). TOD memories promote appropriate usage of resources and concurrently better the survival success of an animal. For instance, animals can form time-place associations related to the availability of a biologically significant stimulus like food or mate. Such memories will help the animal to obtain resources at different locations at the appropriate time of day. The significance of these memories is supported by the fact that many organisms including bees, ants, rats and mice demonstrate time-place learning (Biebach et al. 1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Previous studies have shown that TOD related memories rely on an internal clock, but the identity of the clock and the underlying mechanism remain less well understood. The present study demonstrates that flies can also form TOD associated odor memories and further seeks to identify the appropriate mechanism. Hungry flies were trained in the morning to associate odor A with the sucrose reward and subsequently were exposed to odor B without reward. The same flies were exposed in the afternoon to odor B with and odor A without reward. Two cycles of the 65 reversal training on two subsequent days resulted in the significant retrieval of specific odor memories in the morning and afternoon tests. Therefore, flies were able to modulate their odor preference according to the time of day. In contrast, flies trained in a non-reversal manner were unable to form TOD related memories. The study also demonstrates that flies are only able to form time-odor memories when the two reciprocal training cycles occur at a minimum 6 h interval. This work also highlights the role of the internal state of flies in establishing timeodor memories. Prolonged starvation motivates flies to appropriate their search for the food. It increases the cost associated with a wrong choice in the T-maze test as it precludes the food discovery. Accordingly, an extended starvation promotes the TOD related changes in the odor preference in flies already with a single cycle of reversal training. Intriguingly, prolonged starvation is required for the time-odor memory acquisition but is dispensable during the memory retrieval. Endogenous oscillators promote time-odor associations in flies. Flies in constant darkness have functional rhythms and can form time-odor memories. In contrast, flies kept in constant light become arrhythmic and demonstrated no change in their odor preference through the day. Also, clock mutant flies per01 and clkAR, show compromised performance compared to CS flies when trained in the time-odor conditioning assay. These results suggest that flies need a per and clk dependent oscillator for establishing TOD related memories. Also, the clock governed rhythms are necessary for the timeodor memory acquisition but not for the retrieval. Pigment-Dispersing Factor (PDF) neuropeptide is a clock output factor (Park and Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster, 2009). pdf01 mutant flies are unable to form significant time-odor memories. PDF is released by 8 neurons per hemisphere in the fly brain. This cluster includes the small (s-LNvs) and large (l-LNvs) ventral lateral neurons. Restoring PDF in these 16 neurons in the pdf01 mutant background rescues the time-odor learning defect. The PDF neuropeptide activates a seven transmembrane G-protein coupled receptor (PDFR) which is broadly expressed in the fly brain (Hyun et al., 2005). The present study shows that the expression of PDFR in about 10 dorsal neurons (DN1p) is sufficient for robust time-odor associations in flies. 66 In conclusion, flies use distinct endogenous oscillators to acquire and retrieve time-odor memories. The first oscillator is light dependent and likely signals through the PDF neuropeptide to promote the usage of the time as an associative cue during appetitive conditioning. In contrast, the second clock is light independent and specifically signals the time information for the memory retrieval. The identity of this clock and the underlying mechanism are open to investigation. / Die endogenen circadianen Uhren helfen Tieren, die täglichen Veränderungen der Umwelt zu antizipieren. Diese internen Uhren stützen sich auf externe Umweltreize, sogenannte Zeitgeber, die den Tagesrhythmus vorgeben. Im Fliegengehirn bilden etwa 150 Neuronen die zentrale innere Uhr (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich- Förster, 2005). Diese Neuronen exprimieren die molekulare Uhr, die aus Transkriptions- Translations-Feedback-Schleifen besteht. Die Uhr besitzt die Proteine Clock (CLK) und Cycle (CYC), die zusammen die Transkription von period (per) und timeless (tim) aktivieren. PER und TIM bilden dann ein Heterodimer um die Transkription von clk und cyc zu blockieren (Darlington et al., 1998; Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008). Lichtsignale lösen den Abbau von TIM durch das für blaues Licht sensitive‚ 'Sensing Protein Cryptochrome‘ (CRY) aus, daß wiederum CLK und CYC freisetzt um die per und tim Transkription wieder aufzunehmen (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998). Daher wirkt Licht als wichtiger Zeitgeber. Die innere Uhr der Säuger besteht aus ähnlich miteinander verflochtenen Rückkopplungsschleifen. Die internen Uhren ermöglichen und erleichtern Verhaltensveränderungen in einer Vielzahl von Situation, entsprechend der Tageszeit. Zudem wird die Information den jeweiligen Speicherorten im Gehirn bereit gestellt, um zeitbezogene Gedächtnisbildung zu ermöglichen. Zeitabhängige Gedächtnisbildung sorgt für eine angemessene Nutzung der Ressourcen und sichert gleichzeitig das Überleben des Tieres. Zum Beispiel können Tiere Zeit-Ort-Assoziationen im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit einer biologisch wichtigen Ressource, wie Nahrung oder Paarungspartnern bilden. Solche Assoziationen helfen dem Tier Ressourcen an verschiedenen Orten, abhängig von der Tageszeit, zu erschließen. Die Wichtigkeit dieser Fähigkeit wird durch die Tatsache gestützt, daß zum Beispiel Bienen, Ameisen, Ratten und Mäuse ein zeitlich abhängiges Ortgedächtnis bilden können (Biebach et al. 1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Frühere Studien haben gezeigt, daß zeitbezogene Erinnerungen auf einer internen Uhr beruhen. Die genaue Identität dieser Uhr und die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch nicht ausreichend bekannt. In der vorliegenden Studie wird gezeigt, daß Fliegen in der Lage sind ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Zudem wird versucht die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu identifizieren. Hungrige Fliegen werden zu verschiedenen Tageszeiten konditioniert verschiedene Gerüche mit einer Saccharose-Belohnung zu assoziieren. Morgens ist Geruch A mit Zucker gepaart während Geruch B ohne Zucker präsentiert wird, am Nachmittag ist Geruch B belohnt, Geruch A nicht. Dieses reziproke Training wird an zwei aufeinander folgenden Tagen durchgeführt. Am dritten Tag werden die Fliegen entweder am Morgen oder Nachmittag auf ihre Geruchspräferenz zwischen A und B getestet. Die Fliegen modulieren ihre Geruchspräferenz abhängig von der Tageszeit. Im Gegensatz dazu sind Fliegen, die nicht mittels eines reziproken Trainings konditioniert wurden, nicht in der Lage, ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Die Ergebnisse zeigen auch, daß Fliegen nur dann in der Lage sind zeitbezogene Erinnerungen zu bilden, wenn die beiden reziproken Trainingszyklen mindestens 6 h voneinander getrennt durchgeführt werden. Die Arbeit ebeleuchtet zudem die Rolle des internen Zustands der Fliegen im Kontext des zeitabhängigen olfaktorischen Gedächtnisses. Länger andauernder Hunger motiviert die Fliegen stärker ihre Suche nach Nahrung zeitlich anzupassen. Schon ein Zyklus reziproken Trainings reicht für die Bildung Zeit-spezifischen Geruchsgedächtnisses aus. Die Erhöhung der Kosten, die mit einer falschen Wahl in einem T-maze-Test verbunden ist, kann offenbar zeitabhängige Änderungen der Geruchspräferenzen in Fliegen begünstigen. Erstaunlicherweise begünstigt der Hunger speziell die Gedächtnisbildung, ist jedoch für den Test nicht erforderlich. Endogene circadiane Oszillatoren werden für das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis der Fliegen gebraucht. Fliegen, die im Dauerdunkel gehalten wurden, zeigen rhythmisches Verhalten so wie zeitbezogenes olfaktorisches Gedächtnis. Im Gegensatz dazu sind im Dauerlicht aufgezogene Fliegen arrhythmisch und zeigen kein Zeit-spezifisches Geruchsgedächtnis. Zudem sind auch die arrhythmischen Mutanten per01 und clkAR in der Zeit-Geruchskonditionierung gestört. Diese Ergebnisse legen nahe, daß Fliegen einen per- und clk-abhängigen Oszillator benötigen, der von externen Lichtsignalen abhängig ist, um ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Außerdem wird der durch die innere Uhr vorgegebene Rhythmus nur während der Gedächtnisbildung und nicht für das Abrufen des Gelernten benötigt. Pigment dispersing factor (PDF) ist ein Neuropeptid, das von Neuronen der inneren Uhr gebildet wird (Park and Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster, 2009). Die pdf01-Mutante ist nicht in der Lage ein signifikantes zeitbezogenes olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. PDF wird von jeweils einer Gruppe von 8 Neuronen pro Hemisphäre, die die kleinen und großen ventral-lateralen Neuronen umfaßt, sezerniert. Die Wiederherstellung der Expression von PDF in diesen 16 Neuronen im pdf01 Mutanten Hintergrund, rettet das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis. Das PDF-Neuropeptid aktiviert einen sieben-Transmembran-G-Protein- gekoppelten Rezeptor (PDFR), der weit verbreitet im Fliegenhirn exprimiert wird (Hyun et al., 2005). Diese Studie zeigt, daß die Expression von PDFR in ~ 10 dorsalen Neuronen (DN1p) für eine robuste zeitabhängige olfaktorische Gedächtnisbildung in Fliegen ausreicht. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Fliegen verschiedene endogene Oszillatoren benutzen um ein zeitabhängiges olfaktorische Gedächtnis zu bilden und abzurufen. Der erste Oszillator ist lichtabhängig und wahrscheinlich durch das PDF- Neuropeptid vermittelt. Es ermöglicht die Verwendung der Information 'Zeit' als assoziatives Signal während der appetitiven Konditionierung. Im Gegensatz dazu ist die zweite Uhr lichtunabhängig und vermittelt speziell die Zeitinformation für die Gedächtnisabfrage. Die Identität der zweiten Uhr und der zugrunde liegende Mechanismus sowie die zugrunde liegende Kommunikation zwischen den Neuronen, bedarf weiterer Untersuchungen.

The rotation of the earth leads to a cyclic change of night and day. Numerous strategies evolved to cope with diurnal change, as it is generally advantageous to be synchronous to the cyclic change in abiotic conditions. Diurnal rhythms are regulated by the circadian clock, a molecular feedback loop of RNA and protein levels with a period of circa 24 hours. Despite its importance for individuals as well as for species interactions, our knowledge of circadian clocks is mostly confined to few model organisms. While the structuring of activity is generally adaptive, a rigid temporal organization also has its drawbacks. For example, the specialization to a diurnal pattern limits the breadth of the temporal niche. Organisms that are adapted to a diurnal life style are often poor predators or foragers during night time, constraining the time budget to only diurnal parts of the day/night cycle. Climate change causes shifts in phenology (seasonal timing) and northward range expansions, and changes in season or in latitude are associated with novel day length – temperature correlations. Thus, seasonal organisms will have some life history stages exposed to novel day lengths, and I hypothesized that the diurnal niche determines whether the day length changes are beneficial or harmful for the organism. I thus studied the effects of day length on life-history traits in a multi-trophic system consisting of the pea aphid Acyrthosiphon pisum and predatory larvae of Chrysoperla carnea (common green lacewing) and Episyrphus balteatus (marmalade hoverfly). In order to identify the mechanisms for phenological constraints I then focused on diurnal rhythms and the circadian clock of the pea aphid. Aphids reacted to shorter days with a reduced fecundity and shorter reproductive period. Short days did however not impact population growth, because the fitness constraints only became apparent late in the individual’s life. In contrast, E. balteatus grew 13% faster in the shorter day treatment and preyed on significantly more aphids, whereas C. carnea grew 13% faster under longer days and the elevation of predation rates was marginally significant. These results show that day length affects vital life-history traits, but that the direction and effect size depends on species. I hypothesized that the constraints or fitness benefits are caused by a constricted or expanded time budget, and hence depend on the temporal niche. E. balteatus is indeed night-active and C. carnea appears to be crepuscular, but very little data exists for A. pisum. Hence, I reared the pea aphid on an artificial diet and recorded survival, moulting and honeydew excretion. The activity patterns were clearly rhythmic and molting and honeydew excretion were elevated during day-time. Thus, the diurnal niche could explain the observed, but weak, day length constraints of aphids. The diurnal niche of some organisms is remarkably flexible, and a flexible diurnal niche may explain why the day length constrains were relatively low in A. pisum. I thus studied its circadian clock, the mechanism that regulates diurnal rhythms. First, I improved an artificial diet for A. pisum, and added the food colorant Brilliant Blue FCF. This food colorant stained gut and honeydew in low concentration without causing mortalities, and thus made honeydew excretion visible under dim red light. I then used the blue diet to raise individual aphids in 16:08 LD and constant darkness (DD), and recorded honeydew excretion and molting under red light every three hours. In addition, we used a novel monitoring setup to track locomotor activity continuously in LD and DD. Both the locomotor rhythm and honeydew excretion of A. pisum appeared to be bimodal, peaking in early morning and in the afternoon in LD. Both metabolic and locomotor rhythm persisted also for some time under constant darkness, indicating that the rhythms are driven by a functional circadian clock. However, the metabolic rhythm damped within three to four days, whereas locomotor rhythmicity persisted with a complex distribution of several free-running periods. These results fit to a damped circadian clock that is driven by multiple oscillator populations, a model that has been proposed to link circadian clocks and photoperiodism, but never empirically tested. Overall, my studies integrate constraints in phenological adaptation with a mechanistic explanation. I showed that a shorter day length can constrain some species of a trophic network while being beneficial for others, and linked the differences to the diurnal niche of the species. I further demonstrated that a flexible circadian clock may alleviate the constraints, potentially by increasing the plasticity of the diurnal niche. / Die Rotation der Erde bedingt den zyklischen Wechsel von Tag und Nacht. Verschiedene Anpassungen an den täglichen Wechsel evolvierten, da es generell von Vorteil ist, mit der abiotischen Umwelt synchron zu sein. Die Tagesrhythmik wird von der circadianen Uhr reguliert, einem molekularen Rückkopplungsmechanismus auf RNA- und Protein- Ebene mit einer Periode von etwa 24 Stunden. Trotz der Bedeutung der circadianen Uhr, sowohl für Individuen als auch für Wechselwirkungen mit anderen Arten, ist unser Wissen auf wenige Modellorganismen beschränkt. Während die Strukturierung von Aktivitätsmustern im Wesentlichen adaptiv ist, kann eine strenge zeitliche Organisation auch Nachteile mit sich bringen. Zum Beispiel limitiert die Spezialisierung auf ein Aktivitätsmuster die Breite der zeitlichen Nische. So können tagaktive Organismen häufig nur schlecht in Dunkelheit Nahrung finden, so dass das Zeitbudget von der Tageszeit begrenzt wird. Der Klimawandel führt zu Veränderungen der Phänologie (saisonales Timing) und zur Ausbreitung der Arten Richtung Norden, und Veränderungen in der Phänologie oder im Breitengrad sind mit neuen Korrelationen von Tageslänge und Temperatur verknüpft. Daher werden einige Stadien im Lebenszyklus saisonaler Organismen neuen Tageslängen ausgesetzt. Ich habe die Hypothese aufgestellt, dass die zeitliche Nische bestimmt, ob Veränderungen in der Tageslänge für den Organismus von Vorteil oder von Nachteil sind. Daher untersuchte ich die Effekte von Tageslängen auf den Lebenszyklus von Arten in einem multi-trophischen System, bestehend aus der Erbsenblattlaus, Acyrthosiphon pisum und räuberisch lebenden Larven von Chrysoperla carnea (Gemeine Florfliege) und Episyrphus balteatus (Hainschwebfliege). Um die Mechanismen der Einschränkungen in der Phänologie zu verstehen, untersuchte ich anschließend die Tagesrhythmik und die circadiane Uhr der Erbsenblattlaus. Die Blattläuse haben auf Kurztagbedingungen mit einer niedrigeren Fruchtbarkeit und kürzerer Reproduktionsspanne reagiert. Kurze Tage haben jedoch nicht das Populationswachstum beeinflusst, da die Leistungseinbußen erst spät im Leben des Individuums in Erscheinung traten. Im Gegensatz zur Erbsenblattlaus entwickelte sich E. balteatus 13 % schneller unter Kurztagbedingungen und erbeutete signifikant mehr Blattläuse, während C. carnea sich 13% schneller unter Langtagbedingungen entwickelte und marginal höhere Prädationsraten erreichte. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Tageslänge wichtige Aspekte der Biologie von Organismen beeinflusst, aber dass die Richtung und Bedeutung von Art zu Art unterschiedlich ist. Ich nahm an, dass die Einschränkungen oder Vorteile durch ein verkleinertes oder vergrößertes Zeitbudget bestimmt werden und daher von der zeitlichen Nische abhängen. E. balteatus ist tatsächlich nachtaktiv, während C. carnea dämmerungsaktiv zu sein scheint. Für A. pisum existieren hingegen nur unzureichende Daten. Daher züchtete ich A. pisum auf künstlichem Futter und nahm Überlebensraten, Häutung und Honigtau-Exkretion auf. Die Aktivitätsmuster waren deutlich rhythmisch, und Häutung und Honigtau-Exkretion waren tagsüber erhöht. Daher kann die Einnischung auf Tagaktivität die beobachteten (aber schwachen) Nachteile kurzer Tage erklären. Die zeitliche Nische einiger Organismen ist überraschend flexibel, und eine flexible zeitliche Nische könnte erklären warum der Effekt der Tageslänge relativ niedrig in A. pisum war. Daher untersuchte ich die circadiane Uhr der Erbsenblattlaus, da dieser Mechanismus die Aktivitätsmuster reguliert. Zunächst verbesserte ich das künstliche Futter von A. pisum, und fügte den Lebensmittelfarbstoff Brilliant Blue FCF hinzu. Dieser Farbstoff färbte sowohl Magen als auch Honigtau in niedriger Konzentration ohne die Mortalität zu erhöhen, und machte dadurch die Exkretion von Honigtau unter schwachem Rotlicht sichtbar. Ich nutzte anschließend das blaue Futter, um Blattläuse einzeln in 16:08 LD und konstanter Dunkelheit (DD) aufzuziehen und dabei Honigtau-Exkretion und Häutungen alle drei Stunden zu notieren. Zusätzlichen nutzten wir ein neues Überwachungssystem um Aktivitätsmuster in Lokomotion kontinuierlich in LD und DD aufzuzeichnen. Sowohl Lokomotionsrhythmik als auch Honigtau-Exkretion von A. pisum schienen bimodal zu sein und erreichten früh morgens und nachmittags ihre Maximalwerte in LD. Beide Rhythmen bestanden auch unter konstanter Dunkelheit einige Zeit fort, was aufzeigt, dass die Rhythmen von einer funktionierenden inneren Uhr gesteuert werden. Die Rhythmik im Metabolismus dämpfte jedoch innerhalb von drei bis vier Tagen aus, während die Lokomotionsrhythmik mit einer komplexen Verteilung verschiedener free-running-Perioden fortbestand. Diese Ergebnisse passen zu einer gedämpften circadianen Uhr, die aus mehreren Oszillatorgruppen besteht. Ein solches Modell wurde vorgeschlagen, um circadiane Uhren mit Messungen der Photoperiode zu verknüpfen, aber nie empirisch überprüft. Insgesamt verbinden meine Versuche die Einschränkungen phänologischer Anpassung mit einer mechanistischen Erklärung. Ich zeigte, dass kürzere Tage einigen Arten eines trophischen Netzwerks Vorteile, anderen jedoch Nachteile verschafften, und habe diese Unterschiede auf die zeitliche Nische der Arten zurückgeführt. Ich habe weiterhin gezeigt, dass eine flexible circadiane Uhr die Nachteile lindern kann, möglicherweise weil sie die Plastizität der zeitlichen Nische erhöht.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2007

Freie Universiẗat, Diss., 1999--Berlin.