Universiẗat, Diss., 2004--München.

Universiẗat, Diss., 2002--München.

All living organisms need timekeeping mechanisms to track and anticipate cyclic changes in their environment. The ability to prepare for and respond to daily and seasonal changes is endowed by circadian clocks. The systemic features and molecular mechanisms that drive circadian rhythmicity are highly conserved across kingdoms. Therefore, Drosophila melanogaster with its relatively small brain (ca. 135.000 neurons) and the outstanding genetic tools that are available, is a perfect model to investigate the properties and relevance of the circadian system in a complex, but yet comprehensible organism. The last 50 years of chronobiological research in the fruit fly resulted in a deep understanding of the molecular machinery that drives circadian rhythmicity, and various histological studies revealed the neural substrate of the circadian system. However, a detailed neuroanatomical and physiological description on the single-cell level has still to be acquired. Thus, I employed a multicolor labeling approach to characterize the clock network of Drosophila melanogaster with single-cell resolution and additionally investigated the putative in- and output sites of selected neurons. To further study the functional hierarchy within the clock network and to monitor the “ticking clock“ over the course of several circadian cycles, I established a method, which allows us to follow the accumulation and degradation of the core clock genes in living brain explants by the means of bioluminescence imaging of single-cells. / Alle lebenden Organismen benötigen Mechanismen zur Zeitmessung, um sich auf periodisch wiederkehrende Umweltveränderungen einstellen zu können. Zirkadiane Uhren verleihen die Fähigkeit, tages- und jahreszeitliche Veränderungen vorauszuahnen und sich an diese anzupassen. Die Eigenschaften des zirkadianen Systems, als auch dessen molekularer Mechanismus scheinen über sämtliche Taxa konserviert zu sein. Daher bietet es sich an, die leicht handhabbare Taufliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus zu benutzen. Das relativ kleine Gehirn (ca. 135.000 Neurone) und die herausragende genetische Zugänglichkeit der Fliege prädestinieren sie dazu, das zirkadiane System in einem komplexen, aber dennoch überschaubaren Kontext zu untersuchen. Die vergangenen 50 Jahre chronobiologischer Forschung an Drosophila führten zu einem tiefgreifenden Verständnis der molekularen Mechanismen, die für tageszeitliche Rhythmizität verantwortlich sind. Anhand zahlreicher histologischer Untersuchungen wurde die neuronale Grundlage, das Uhrneuronennetzwerk im zentralen Nervensystem, beschrieben. Nichtsdestotrotz, gibt es noch immer keine detaillierte neuroanatomische und physiologische Charakterisierung der Uhrneurone auf Einzelzellebene. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit die umfangreiche Beschreibung der Einzelzellanatomie ausgewählter Uhrneurone sowie die Identifikation mutmaßlicher post- und präsynaptischer Verzweigungen. Darüber hinaus war es mir möglich, eine Methode zur Messung von Biolumineszenzrhythmen in explantierten lebenden Gehirnen zu etablieren. Mit einem Lumineszenzmikroskop können die Proteinoszillationen einzelner Uhrneurone über die Dauer mehrerer zirkadianer Zyklen aufgezeichnet werden, wodurch neue funktionale Studien ermöglicht werden.

The mammalian central clock, located in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the anterior hypothalamus, controls circadian rhythms in behaviour such as the sleep-wake cycle. It is made up of approximately 20,000 heterogeneous neurons that can be classified by their expression of neuropeptides. There are three major populations: AVP neurons (arginine vasopressin), VIP neurons (vasoactive intestinal peptide), and GRP neurons (gastrin releasing peptide). How these neuronal clusters form functional units to govern various aspects of rhythmic behavior is poorly understood. At a molecular level, biological clocks are represented by transcriptional-posttranslational feedback loops that induce circadian oscillations in the electrical activity of the SCN and hence correlate with behavioral circadian rhythms. In mammals, the sleep wake cycle can be accurately predicted by measuring electrical muscle and brain activity. To investigate the link between the electrical activity of heterogeneous neurons of the SCN and the sleep wake cycle, we optogenetically manipulated AVP neurons in vivo with SSFO (stabilized step function opsin) and simultaneously recorded an electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in freely moving mice. SSFO-mediated stimulation of AVP positive neurons in the anterior hypothalamus increased the total amount of wakefulness during the hour of stimulation. Interestingly, this effect led to a rebound in sleep in the hour after stimulation. Markov chain sleep-stage transition analysis showed that the depolarization of AVP neurons through SSFO promotes the transition from all states to wakefulness. After the end of stimulation, a compensatory increase in transitions to NREM sleep was observed. Ex vivo, SSFO activation in AVP neurons causes depolarization and modifies the activity of AVP neurons. Therefore, the results of this thesis project suggest an essential role of AVP neurons as mediators between circadian rhythmicity and sleep-wake behaviour. / Die zentrale Uhr von Säugetieren, die sich im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) des vorderen Hypothalamus befindet, steuert zirkadiane Verhaltensrhythmen wie den Schlaf-Wach-Rhythmus. Sie besteht aus etwa 20.000 heterogenen Neuronen, die nach ihrer Expression von Neuropeptiden klassifiziert werden können. Es gibt drei große Populationen: AVP-Neuronen, VIP-Neuronen und GRP-Neuronen. Wie diese Neuronengruppen funktionelle Einheiten bilden, um verschiedene Aspekte des rhythmischen Verhaltens zu steuern, ist nur unzureichend bekannt. Bei Säugetieren kann der Schlaf-Wach-Zyklus durch Messung der elektrischen Muskel- und Gehirnaktivität genau vorhergesagt werden. Um den Zusammenhang zwischen der elektrischen Aktivität heterogener Neuronen des SCN und dem Schlaf-Wach-Zyklus zu untersuchen, wurden AVP-Neuronen in vivo mit SSFO optogenetisch manipuliert und gleichzeitig ein Elektroenzephalogramm (EEG) und ein Elektromyogramm (EMG) bei frei beweglichen Mäusen aufgezeichnet. Die SSFO-vermittelte Stimulation von AVP-positiven Neuronen im vorderen Hypothalamus erhöhte den Gesamtanteil der Wachheit während der Stunde der Stimulation. Interessanterweise führte dieser Effekt zu einem Ansteigen des Schlafes in der Stunde nach der Stimulation. Eine Markov-Ketten-Analyse der Schlafphasenübergänge zeigte, dass die Depolarisierung der AVP-Neuronen durch SSFO den Übergang von allen Zuständen zum Wachsein fördert. Nach dem Ende der Stimulation wurde ein kompensatorischer Anstieg der Schlafphasenübergänge zum NREM-Schlaf beobachtet. Ex vivo verursachte die SSFO-Aktivierung in AVP-Neuronen eine Depolarisation und veränderte die Aktivität der AVP-Neuronen. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit könnten auf die Rolle der AVP-Neuronen als Vermittler zwischen zirkadianer Rhythmik und Schlaf-Wach-Verhalten hinweisen.

Due to the earth´s rotation around itself and the sun, rhythmic daily and seasonal changes in illumination, temperature and many other environmental factors occur. Adaptation to these environmental rhythms presents a considerable advantage to survival. Thus, almost all living beings have developed a mechanism to time their behavior in accordance. This mechanism is the endogenous clock. If it fulfills the criteria of (1) entraining to zeitgebers (2) free-running behavior with a period of ~ 24 hours (3) temperature compensation, it is also referred to as “circadian clock”. Well-timed behavior is crucial for eusocial insects, which divide their tasks among different behavioral castes and need to respond to changes in the environment quickly and in an orchestrated fashion. Circadian rhythms have thus been studied and observed in many eusocial species, from ants to bees. The underlying mechanism of this clock is a molecular feedback loop that generates rhythmic changes in gene expression and protein levels with a phase length of approximately 24 hours. The properties of this feedback loop are well characterized in many insects, from the fruit fly Drosophila melanogaster, to the honeybee Apis mellifera. Though the basic principles and components of this loop are seem similar at first glance, there are important differences between the Drosophila feedback loop and that of hymenopteran insects, whose loop resembles the mammalian clock loop. The protein PERIOD (PER) is thought to be a part of the negative limb of the hymenopteran clock, partnering with CRYPTOCHROME (CRY). The anatomical location of the clock-related neurons and the PDF-network (a putative in- and output mediator of the clock) is also well characterized in Drosophila, the eusocial honeybee as well as the nocturnal cockroach Leucophea maderae. The circadian behavior, anatomy of the clock and its molecular underpinnings were studied in the carpenter ant Camponotus floridanus, a eusocial insect Locomotor activity recordings in social isolation proved that the majority of ants could entrain to different LD cycles, free-ran in constant darkness and had a temperature-compensated clock with a period slightly shorter than 24 hours. Most individuals proved to be nocturnal, but different types of activity like diurnality, crepuscularity, rhythmic activity during both phases of the LD, or arrhythmicity were also observed. The LD cycle had a slight influence on the distribution of these activities among individuals, with more diurnal ants at shorter light phases. The PDF-network of C. floridanus was revealed with the anti-PDH antibody, and partly resembled that of other eusocial or nocturnal insects. A comparison of minor and major worker brains, only revealed slight differences in the number of somata and fibers crossing the posterior midline. All in all, most PDF-structures that are conserved in other insects where found, with numerous fibers in the optic lobes, a putative accessory medulla, somata located near the proximal medulla and many fibers in the protocerebrum. A putative connection between the mushroom bodies, the optic lobes and the antennal lobes was found, indicating an influence of the clock on olfactory learning. Lastly, the location and intensity of PER-positive cell bodies at different times of a 24 hour day was established with an antibody raised against Apis mellifera PER. Four distinct clusters, which resemble those found in A. mellifera, were detected. The clusters could be grouped in dorsal and lateral neurons, and the PER-levels cycled in all examined clusters with peaks around lights on and lowest levels after lights off. In summary, first data on circadian behavior and the anatomy and workings of the clock of C. floridanus was obtained. Firstly, it´s behavior fulfills all criteria for the presence of a circadian clock. Secondly, the PDF-network is very similar to those of other insects. Lastly, the location of the PER cell bodies seems conserved among hymenoptera. Cycling of PER levels within 24 hours confirms the suspicion of its role in the circadian feedback loop. / Durch die Rotation der Erde um die Sonne, entstehen rhythmische, tägliche und saisonale Änderungen in der Beleuchtung, Temperatur und vielen anderen Umweltfaktoren. Die Anpassung an diese Umweltrhythmen stellt einen großen Überlebensvorteil dar. Deshalb haben fast alle bekannten Lebewesen einen Mechanismus zur Steuerung ihres Verhaltens in Relation zu diesen Änderungen entwickelt. Dieser Mechanismus ist die innere Uhr, die auch als zirkadiane Uhr bezeichnet wird wenn sie die folgenden Kriterien erfüllt: (1) Entrainment auf Zeigeber (2) Freilaufendes Verhalten mit einer Periodenlänge von ungefähr 24 Stunden (3) Temperatur-Kompensation. Den korrekten Zeitpunkt für ein bestimmtes Verhalten einzuhalten ist äußerst wichtig für soziale Insekten. Sie verteilen ihre Aufgaben unter verschiedenen Verhaltens-Kasten und müssen in der Lage sein schnell und organisiert auf Umweltänderungen zu reagieren. Deshalb stellen sie interessante Objekte für das Studium circadianen Verhaltens dar, welches schon in vielen eusozialen Spezies wie Ameisen und Bienen beobachtet wurde. Der der inneren Uhr zugrunde liegende Mechanismus ist eine molekulare Rückkopplungsschleife, die rhythmische Veränderungen in der Expression von Genen und dem Akkumulationsniveau von Proteinen in einem 24 Stunden Zyklus hervorruft. Die Eigenschaften dieser Rückkopplungsschleife sind in vielen Organismen, von der Taufliege Drosophila melanogaster, bis zur Hongbiene Apis mellifera, bereits gut charakterisiert. Obwohl die Gemeinsamkeiten der zugrunde liegenden Prinzipien und Bestandteile stark auffallen, gibt es wichtige Unterschiede zwischen der Rückkopplungsschleife von Drosophila und der eher mammal organisierten Rückkopplungsschleifen hymenopterer Insekten. Das PERIOD (PER) Protein ist vermutlich ein Bestandteil des hemmenden Teils der Schleife und verbindet sich mit CRYPTOCHROME (CRY). Die anatomischen Eigenschaften der Uhrneurone und des PDF-Netzwerks (vermutlich der Ein- und Ausgang für Informationen im Uhrnetzwerk) sind ebenfalls in der Taufliege, eusozialen Honigbiene, sowie in der nachtaktiven Schabe Leucophea maderae sehr gut beschrieben. Die Rossameise Camponotus floridanus wurde hier als Studienobjekt verwendet, um zirkadianes Verhalten, die Anatomie der Uhr sowie die ihr zu Grunde liegenden molekularen Strukturen in einem weiteren eusozialen Organismus zu analysieren. Die Aufzeichnung von Lauf-Verhalten in sozialer Isolation bewies, dass der Großteil der Ameisen in der Lage ist auf verschiedene LD-Zyklen zu entrainen, freilaufendes Verhalten im Dunkeln aufweist und eine temperaturkompensierte Uhr mit einer Periodenlänge von etwa 24 Stunden besitzt. Die meisten Individuen waren nachtaktiv, aber es wurden auch andere Verhaltensmuster wie Tagaktivität, Dämmerungsaktivität, Rhythmische Aktivität während beiden LD Phasen sowie Arrhythmizität beobachtet. Der LD-Zyklus hatte einen leichten Einfluss auf die Verteilungsmuster dieser Aktivitätstypen. Mehr tagaktive Tiere wurden bei kurzen Lichtphasen beobachtet. Das PDF-Netzwerk in C. floridanus konnte mit Hilfe des anti-PDH Antikörpers sichtbar gemacht werden und ähnelte in Teilen dem anderer eusozialer oder nachtaktiver Insekten. Ein Vergleich zwischen den Gehirnen kleiner und großer Arbeiter zeigte nur geringe Unterschiede in der Anzahl von Zellkörpern und Fasern die die posteriore Mitte des Gehirns überschreiten. Im Gesamten konnte die Mehrzahl der zwischen den anderen Insektengehirnen konservierten PDF-Strukturen, wie viele Fasern in den optischen Loben, eine akzessorische Medulla, Zellkörper neben der proximalen Medulla und viele Verzweigungen im Protozerebrum, gefunden werden. Eine mögliche Verbindung zwischen den Pilzkörpern, optischen Loben und den Antennalloben wurde identifiziert und weist auf einen Einfluss der Uhr auf olfaktorisches Lernen hin. Zu guter letzte wurde mit Hilfe eines gegen Bienen-PER gerichteten Antikörpers die Lage und Intensität der PER-Zellkörper während mehrerer Zeitpunkte im Verlauf von 24 Stunden bestimmt. Vier abgegrenzte Gruppen von Zellkörpern, die den Gruppen in A. mellifera ähneln, konnten identifiziert werden. Diese Gruppen teilen sich in dorsale und laterale Neuronen und der Proteingehalt an PER oszilliert in allen untersuchten Gruppen, mit dem Höhepunkt bei Licht-an und dem Tiefpunkt kurz nach Licht-aus. Zusammenfassend ist zu sagen, dass erste Erkenntnisse über zirkadianes Verhalten, die Anatomie und die Grundlagen der inneren Uhr von C. floridanus gewonnen werden konnten. Erstens, erfüllt das Verhalten alle Kriterien für die Präsenz einer inneren Uhr. Zweitens, ist das PDF-Netzwerk ähnlich dem anderer Insekten. Letztens, scheint die Lage der PER-positiven Neurone innerhalb der Hymenopteren konserviert. Die Oszillation von PER bestätigt den Verdacht seiner Beteiligung an der Rückkopplungsschleife der inneren Uhr.

The change of day and night is one of the challenges all organisms are exposed to, as they have to adjust their physiology and behavior in an appropriate way. Therefore so called circadian clocks have evolved, which allow the organism to predict these cyclic changes of day and night. The underlying molecular mechanism is oscillating with its endogenous period of approximately 24 hours in constant conditions, but as soon as external stimuli, so called Zeitgebers, are present, the clocks adjust their period to exactly 24h, which is called entrainment. Studies in several species, including humans, animals and plants, showed that light is the most important Zeitgeber synchronizing physiology and behavior to the changes of day and night. Nevertheless also other stimuli, like changes in temperature, humidity or social interactions, are powerful Zeitgebers for entraining the clock. This thesis will focus on the question, how light influences the locomotor behavior of the fly in general, including a particular interest on the entrainment of the circadian clock. As a model organism Drosophila melanogaster was used. During the last years several research groups investigated the effect of light on the circadian clock and their results showed that several light input pathways to the clock contribute to wild-type behavior. Most of the studies focused on the photopigment Cryptochrome (CRY) which is expressed in about half of the 150 clock neurons in the fly. CRY is activated by light, degrades the clock protein Timeless (TIM) and hence entrains the clock to the light-dark (LD)-cycle resulting from changes of day and night. However, also flies lacking CRY are still able to entrain their clock mechanism as well as their activity-rest-rhythm to LD-cycles, clearly showing that the visual system of the fly also contributes to clock synchronization. The mechanism how light information from the visual system is transferred to the clock is so far still unknown. This is also true for so-called masking-effects which are changes in the behavior of the animal that are directly initiated by external stimuli and therefore independent of the circadian clock. These effects complement the behavior of the animals as they enable the fly to react quickly to changes in the environment even during the clock-controlled rest state. Both of these behavioral features were analyzed in more detail in this study. On the one hand, we investigated the influence of the compound eyes on the entrainment of the clock neurons and on the other hand, we tried to separate clock-controlled behavior from masking. To do so "nature-like" light conditions were simulated allowing the investigation of masking and entrainment within one experiment. The simulation of moonlight and twilight conditions caused significant changes in the locomotor behavior. Moonlit nights increased nocturnal activity levels and shifted the morning (M) and evening (E) activity bouts into the night. The opposite was true for the investigation of twilight, as the activity bouts were shifted into the day. The simulation of twilight and moonlight within the same experiment further showed that twilight appears to dominate over moonlight, which is in accordance to the assumption that twilight in nature is one of the key signals to synchronize the clock as the light intensity during early dawn rises similarly in every season. By investigating different mutants with impaired visual system we showed that the compound eyes are essential for the observed behavioral adaptations. The inner receptor cells (R7 and R8) are important for synchronizing the endogenous clock mechanism to the changes of day and night. In terms of masking, a complex interaction of all receptor cells seems to adjust the behavioral pattern, as only flies lacking photopigments in inner and outer receptor cells lacked all masking effects. However, not only the compound eyes seem to contribute to rhythmic activity in moonlit nights. CRY-mutant flies shift their E activity bout even more into the night than wild-type flies do. By applying Drosophila genetics we were able to narrow down this effect to only four CRY expressing clock neurons per hemisphere. This implies that the compound eyes and CRY in the clock neurons have antagonistic effects on the timing of the E activity bout. CRY advances activity into the day, whereas the compound eyes delay it. Therefore, wild-type behavior combines both effects and the two light inputs might enable the fly to time its activity to the appropriate time of day. But CRY expression is not restricted to the clock neurons as a previous study showed a rather broad distribution within the compound eyes. In order to investigate its function in the eyes we collaborated with Prof. Rodolfo Costa (University of Padova). In our first study we were able to show that CRY interacts with the phototransduction cascade and thereby influences visual behavior like phototaxis and optomotor response. Our second study showed that CRY in the eyes affects locomotor activity rhythms. It appears to contribute to light sensation without being a photopigment per se. Our results rather indicate that CRY keeps the components of the phototransduction cascade close to the cytoskeleton, as we identified a CRY-Actin interaction in vitro. It might therefore facilitate the transformation of light energy into electric signals. In a further collaboration with Prof. Orie Shafer (University of Michigan) we were able to shed light on the significance of the extraretinal Hofbauer-Buchner eyelet for clock synchronization. Excitation of the eyelet leads to Ca2+ and cAMP increases in specific clock neurons, consequently resulting in a shift of the flies´ rhythmic activity. Taken together, the experiments conducted in this thesis revealed new functions of different eye structures and CRY for fly behavior. We were furthermore able to show that masking complements the rhythmic behavior of the fly, which might help to adapt to natural conditions. / Der Wechsel von Tag und Nacht stellt für viele Organismen eine große Herausforderung dar, da sie ihre Physiologie und auch das Verhalten den äußeren Gegebenheiten anpassen müssen. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, haben viele Organismen innere Uhren entwickelt, welche es ihnen erlauben, den Wechsel von Tag und Nacht vorherzusehen. Diesen inneren Uhren liegt ein molekularer Mechanismus zugrunde, welcher einen Rhythmus von etwa 24 Stunden generiert. Eine wichtige Eigenschaft dieser Uhren ist es, dass sie durch äußere Faktoren, so genannte Zeitgeber, an den Tag-Nacht-Wechsel angepasst werden können. Viele Studien an Mensch, Tier und Pflanze weisen darauf hin, dass Licht der wichtigste Zeitgeber ist, wobei auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder soziale Interaktionen die innere Uhr an den Tag-Nacht-Wechsel anpassen können. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkung von Licht auf das Lauf-verhalten und die innere Uhr genauer zu beleuchten, wozu der Modellorganismus Drosophila melanogaster herangezogen wird. Zahlreiche Forschergruppen haben sich bereits mit der Synchronisation der inneren Uhr durch Licht beschäftigt, wobei klar hervorgeht, dass die Taufliege verschiedene Möglichkeiten hat, Lichtinformationen für die Synchronisation der Uhr zu verwenden. Der wohl am besten untersuchte Prozess ist die Synchronisation durch das Pigment Cryptochrom. Dieses Molekül ist in etwa der Hälfte der Uhrneuronen exprimiert und greift direkt in den molekularen Uhrmechanismus ein, wodurch dieser an den Tag-Nacht-Wechsel angepasst werden kann. Schaltet man jedoch das Gen für dieses Molekül aus so zeigt sich, dass die Tiere dennoch dazu in der Lage sind sich an den Licht-Dunkel-Wechsel anzupassen. Dies bedeutet, dass die visuellen Organe Informationen an die innere Uhr weiterleiten können, wobei der Mechanismus dafür noch nicht vollständig entschlüsselt werden konnte. Selbiges trifft auf sogenannte Maskierungseffekte zu: Maskierung beschreibt eine Veränderung des Verhaltensmusters, welches nicht durch die innere Uhr gesteuert, sondern direkt durch äußere Reize hervorgerufen wird. Diese direkten Effekte komplettieren das Verhalten der Tiere, da sie dadurch selbst zu endogen ungünstigen Zeiten adäquat auf äußere Reize reagieren können. In dieser Arbeit wird sich beider Phänomene angenommen: Zum einen soll die Bedeutung des visuellen Systems für die Synchronisation der inneren Uhr genauer untersucht, und zum anderen soll uhrgesteuertes Verhalten von Maskierung getrennt werden. Zu diesem Zweck wurden Lichtbedingungen simuliert, die den natürlichen ähnelten und die Untersuchung beider lichtabhängiger Effekte ermöglichten. Die Untersuchung von Dämmerung und Mondlicht zeigte deutlich, dass diese starke Veränderungen im Lauf-Verhalten hervorrufen. Die Simulation von Mondlicht bewirkte einen Anstieg der Nachtaktivität und ein Verschieben der Aktivitätsmaxima der Fliege in die Nacht. Das Gegenteil war bei Dämmerungssimulation zu beobachten, da die Tiere mehr Aktivität in den Tag legten. Bei gleichzeitiger Simulation von Mondlicht und Dämmerungsphasen zeigte sich, dass die Dämmerung ein stärkerer Zeitgeber ist als Mondlicht ist. Dieses Ergebnis geht einher mit der Annahme, dass die Dämmerung ein wichtiges Signal für die Synchronisation der inneren Uhr ist, da der Anstieg der Lichtintensität am frühen Morgen unabhängig von der Jahreszeit sehr ähnlich ist. Die Untersuchung von verschiedensten Mutanten konnte zudem zeigen, dass die Komplexaugen der Fliege von größter Bedeutung für die beobachteten Veränderungen im Verhaltensmuster und die Anpassung der inneren Uhr an "natürliche" Lichtbedingungen sind. Dabei stellte sich heraus, dass vor allem die inneren Rezeptorzellen wichtig für die Synchronisation der inneren Uhr und somit uhrgesteuerter Verhaltensänderungen sind. Für Maskierungseffekte scheint eine komplexe Interaktion von mehreren Rezeptorzellen für die Anpassung an Dämmerungs- und Mondlichtbedingungen vorzuliegen, da diese nur bei Mehrfachmutationen verschiedener Rhodopsine, den lichtabsorbierenden Molekülen der Fliege, verschwanden. Jedoch scheinen nicht nur die Komplexaugen das rhythmische Verhalten in Mondlichtnächten zu beeinflussen. Wird das Gen für Cryptochrom, dem Photorezeptor der inneren Uhr, ausgeschaltet, verschieben die Tiere ihre Abendaktivität noch stärker in die Nacht als es bereits beim Wildtyp der Fall ist. Durch verschiedene genetische Manipulationen konnten wir den Grund dieses Verhaltens auf die Expression von Cryptochrom in nur vier Uhrneuronen pro Hemisphäre zurückverfolgen. Zugleich zeigten unsere Ergebnisse, dass die Komplexaugen und Cryptochrom entgegengesetzte Wirkung auf das Timing der Abendaktivität haben. Während die Komplexaugen die Abendaktivität in die Nacht hinein schieben, bewirkt Cryptochrom, dass die Aktivität noch während des Tages stattfindet. Dies bedeutet, dass das wildtypische Verhalten eine Mischung aus beiden Lichteingängen ist und sich die Tiere somit ideal an die äußeren Gegebenheiten anpassen können. Cryptochrom wird jedoch nicht nur in den Uhrneuronen, sondern unter anderem auch in den Komplexaugen der Tiere exprimiert. Um die Funktion in den Augen genauer zu untersuchen, konnten wir in Kollaboration mit Prof. Rodolfo Costa (University of Padova) zunächst zeigen, dass CRY mit der Phototransduktionskaskade über das Protein INAD interagiert und dadurch visuelles Verhalten, wie zum Beispiel Phototaxis oder die optomotorische Antwort, beeinflussen kann. In weiteren Experimenten konnten wir zudem zeigen, dass CRY in den Augen die lokomotorische Aktivität der Fliegen beeinflusst. Dabei trägt es zur Wahrnehmung von Licht bei, ohne jedoch per se ein Photopigment zu sein. Vielmehr scheint CRY die Phototransduktion dahingehend zu verändern, dass es den Phototransduktionskomplex an das Cytoskelett innerhalb der Rhabdomere bindet und somit die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Signale erleichtert. Zusammen mit Prof. Orie Shafer (University of Michigan) ist es uns zudem gelungen, die Rolle des extraretinalen Hofbauer-Buchner-Äugleins für die Synchronisation der Uhr genauer zu beleuchten. Die Anregung des Äugleins führte dabei zu einem Anstieg der Ca2+ und cAMP Mengen in bestimmten Uhrneuronen und dies bewirkte eine Phasenverschiebung des Verhaltens der Taufliege. Somit konnten in dieser Arbeit neue Erkenntnisse über die Funktionen von Cryptochrom und verschiedener Augenstrukturen für das Verhalten der Fliege gewonnen werden. Dabei konnten die Bedeutungen der inneren Uhr sowie von Maskierungseffekten für das Verhalten der Tiere in der Natur herausgearbeitet werden.

Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Die Fähigkeit sich an die Rotation der Erde und den daraus resultierenden Tag- und Nacht-Rhythmus anzupassen, basiert auf einer komplexen Regulation verschiedener physiologischer Prozesse. Auf molekularer Ebene liegt diesen Prozessen eine Orchestration von Uhr-Genen zugrunde – auch als innere Uhr bezeichnet – die einen aktivierenden bzw. reprimierenden Einfluss auf die Expression einer Vielzahl weiterer Gene hat. Ausgehend von dieser Regulation lassen sich auf unterschiedlichsten Ebenen tageszeitabhängige, wiederkehrende Rhythmen beobachten. Während diese wiederkehrenden Rhythmen auf einigen Ebenen bereits gut erforscht und beschrieben sind, gibt es weitere Ebenen wie den Metabolismus, über die das Wissen bisher noch begrenzt ist. So handelt es sich bei Drosophila beispielsweise um den Organismus, dessen innere Uhr auf molekularer Ebene wahrscheinlich mit am besten charakterisiert ist. Dennoch ist bisher nur wenig über Stoffklassen bekannt, deren Metabolismus durch die innere Uhr kontrolliert wird. Zwar konnte bereits gezeigt werden, dass sich eine gestörte innere Uhr auf die Anlage der Energiespeicher auswirkt, inwiefern dies allerdings einen Einfluss auf dem intermediären Stoffwechsel hat, blieb bisher weitgehend unerforscht. Auch die Frage, welche Metaboliten wiederkehrende, tageszeitabhängige Rhythmen aufweisen, wurde bisher nur für eine begrenzte Anzahl Metaboliten untersucht. Bei der hier durchgeführten Arbeit wurden deshalb zunächst die globalen Metabolit-Profile von Fliegen mit einer auf molekularer Ebene gestörten inneren Uhr (per01) mit Fliegen, die über eine funktionale Uhr verfügen (CantonS), zu zwei Zeitpunkten verglichen. Um die Anzahl der zeitgleich untersuchten Gewebe und somit die Komplexität der Probe zu reduzieren, wurden hierfür die Köpfe von den Körpern der Fliegen getrennt und separat analysiert. Beide Körperteile wurden sowohl auf kleine hydrophile als auch auf hydrophobe Metaboliten hin mittels UPLC-ESI-qTOF-MS untersucht. Die anschließend durchgeführte, statistische Analyse brachte hervor, dass sich Unterschiede zwischen den beiden Fliegenlinien besonders in den Spiegeln der essentiellen Aminosäuren, den Kynureninen, den Pterinaten sowie den Spiegeln der Glycero(phospho)lipiden und Fettsäureester zeigten. Bei den Lipiden zeigte sich, dass die Auswirkungen weniger ausgeprägt für die Anlage der Speicher- und Strukturlipide als für die Intermediate des Lipidabbaus, die Diacylglycerole (DAGs) sowie die Acylcarnitine (ACs), waren. Um zu bestätigen, dass die inneren Uhr tatsächlich einen regulatorischen Einfluss auf die ausgemachten Stoffwechselwege hat, wurden anschließend die Spiegel aller Mitglieder darauf hin untersucht, ob diese wiederkehrende, tageszeitabhängige Schwankungen aufweisen. Hierfür wurden Proben alle zwei Stunden über drei aufeinanderfolgende Tage genommen und analysiert, bevor mittels JTK_CYCLE eine statistische Analyse der Daten durchgeführt und die Metaboliten herausgefiltert wurden, die ein rhythmisches Verhalten bei einer Periodenlänge von 24h zeigten. Hierbei bestätigte sich, dass besonders die Mitglieder des intermediären Lipidmetablismus hiervon betroffen waren. So konnten zwar auch für einige Aminosäuren robuste Rhythmen ausgemacht werden, besonders ausgeprägt waren diese jedoch erneut bei den DAGs und den ACs. Die abschließende Untersuchung letzterer unter Freilaufbedingungen (DD) sowie in per01 brachte hervor, dass die ausgemachten Rhythmen unter diesen Bedingungen entweder nicht mehr detektiert werden konnten oder deutlich abgeschwächt vorlagen. Lediglich zwei kurzkettige ACs zeigten auch unter DD-Bedingungen statistisch signifikante Rhythmen in ihren Spiegeln. Dies spricht dafür, dass neben der Regulation durch die innere Uhr weitere Faktoren, wie beispielsweise das Licht, eine entscheidende Rolle zu spielen scheinen. / The ability to adapt to the rotation of the earth and to the resulting day and night rhythm is based on a complex regulation of various endogenous processes. At the molecular level, these processes are based on an orchestration of clock genes - also known as the endogenous clock – which have an activating or repressing influence on the expression of diverse clock-controlled genes. Based on this regulation, recurring rhythms depending on the time of day can be observed at various levels, ranging from gene expression to behavior. While these recurring rhythms have been well characterized on certain output levels, little is known, however, on other levels like their influence on metabolism. Drosophila for example, is an organism whose endogenous clock is probably best characterized at the molecular level. However, little is known about substance classes and metabolic pathways that are controlled by the endogenous clock. It has already been shown that an impaired endogenous clock affects energy storage, but how an impaired clock influences intermediary lipid metabolism remains still unknown. Additionally, little is known on metabolites or metabolite classes, that display recurring, time-dependent rhythms. So far this has only been studied for certain metabolites or metabolite classes. Therefore, we compared global metabolite profiles at two timepoints between flies with an impaired endogenous clock (per01) and WT flies, possessing a functional clock (CantonS). In order to reduce the number of different tissues studied at once and thus the complexity of the sample, fly heads were separated from fly bodies and analyzed separately. In both body parts levels of small hydrophilic and hydrophobic metabolites were studied using UPLC-ESI-qTOF-MS. The subsequent statistical analysis revealed differences between the two fly lines, associated with the metabolism of essential amino acids, kynurenines, pterinates, glycero(phospho)lipids and fatty acid esters. Closer inspection of the lipid classes being affected revealed, that the effects were less pronounced for the formation of storage- and structural- lipids, compared to the intermediates of lipid degradation, the diacylglycerols (DAGs) and acylcarnitines (ACs). In order to confirm that the endogenous clock has indeed a regulatory influence on these metabolic pathways, the levels of all members were studied in a time-course experiment to determine, whether they display recurring, time-of-day-dependent fluctuations. For this purpose, samples were taken every two hours for three consecutive days, with heads and bodies analyzed separately, before a statistical analysis was carried out using JTK_CYCLE. The results were then filtered for those metabolites that showed a rhythmic behavior with a period length of 24 hours. The results confirmed that members of the intermediary lipid metabolism were particularly affected. Although robust rhythms could be detected for some amino acids, multiple DAG and AC species showed even more pronounced rhythms. The subsequent analysis of the latter under freerunning conditions (DD) and in per01 showed that the identified rhythms either diminished completely under these conditions or were significantly weakened. Only two short-chain ACs showed statistically significant rhythms in their levels under DD conditions. This suggests that in addition to regulation by the internal clock, other factors, such as light, seem to play a crucial role.

Heidelberg, Univ., Diss., 2005.