Göttingen, Univ., Diss., 2004.

Göttingen, Universiẗat, Diss., 2004.

Tübingen, Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2005--Heidelberg.

Organisms have evolved endogenous clocks which allow them to organize their behavior, metabolism and physiology according to the periodically changing environmental conditions on earth. Biological rhythms that are synchronized to daily changes in environment are governed by the so-called circadian clock. Since decades, chronobiologists have been investigating circadian clocks in various model organisms including the fruitfly Drosophila melanogaster, which was used in the present thesis. Anatomically, the circadian clock of the fruitfly consists of about 150 neurons in the lateral and dorsal protocerebrum, which are characterized by their position, morphology and neurochemistry. Some of these neurons had been previously shown to contain either one or several neuropeptides, which are thought to be the main signaling molecules used by the clock. The best investigated of these neuropeptides is the Pigment Dispersing Factor (PDF), which had been shown to constitute a synchronizing signal between clock neurons as well as an output factor of the clock. In collaboration with various coworkers, I investigated the roles of three other clock expressed neuropeptides for the generation of behavioral rhythms and the partly published, partly unpublished data are presented in this thesis. Thereby, I focused on the Neuropeptide F (NPF), short Neuropeptide F (sNPF) and the Ion Transport Peptide (ITP). We show that part of the neuropeptide composition within the clock network seems to be conserved among different Drosophila species. However, the PDF expression pattern in certain neurons varied in species deriving from lower latitudes compared to higher latitudes. Together with findings on the behavioral level provided by other people, these data suggest that different species may have altered certain properties of their clocks - like the neuropeptide expression in certain neurons - in order to adapt their behavior to different habitats. We then investigated locomotor rhythms in Drosophila melanogaster flies, in which neuropeptide circuits were genetically manipulated either by cell ablation or RNA interference (RNAi). We found that none of the investigated neuropeptides seems to be of equal importance for circadian locomotor rhythms as PDF. PDF had been previously shown to be necessary for rhythm maintenance in constant darkness (DD) as well as for the generation of morning (M) activity and for the right phasing of the evening (E) activity in entrained conditions. We now demonstrate that NPF and ITP seem to promote E activity in entrained conditions, but are clearly not the only factors doing so. In addition, ITP seems to reduce nighttime activity. Further, ITP and possibly also sNPF constitute weak period shortening components in DD, thereby opposing the effect of PDF. However, neither NPF or ITP, nor sNPF seem to be necessary in the clock neurons for maintaining rhythmicity in DD. It had been previously suggested that PDF is released rhythmically from the dorsal projection terminals. Now we discovered a rhythm in ITP immunostaining in the dorsal projection terminals of the ITP+ clock neurons in LD, suggesting a rhythm in peptide release also in the case of ITP. Rhythmic release of both ITP and PDF seems to be important to maintain rhythmic behavior in DD, since constantly high levels of PDF and ITP in the dorsal protocerebrum lead to behavioral arrhythmicity. Applying live-imaging techniques we further demonstrate that sNPF acts in an inhibitory way on few clock neurons, including some that are also activated by PDF, suggesting that it acts as signaling molecule within the clock network and has opposing effects to PDF. NPF did only evoke very little inhibitory responses in very few clock neurons, suggesting that it might rather be used as a clock output factor. We were not able to apply the same live-imaging approach for the investigation of the clock neuron responsiveness to ITP, but overexpression of ITP with various driver lines showed that the peptide most likely acts mainly in clock output pathways rather than inter-clock neuron communication. Taking together, I conclude that all investigated peptides contribute to the control of locomotor rhythms in the fruitfly Drosophila melanogaster. However, this control is in most aspects dominated by the actions of PDF and rather only fine-tuned or complemented by the other peptides. I assume that there is a high complexity in spatial and temporal action of the different neuropeptides in order to ensure correct signal processing within the clock network as well as clock output. / Die meisten Organismen haben endogene Uhren entwickelt, mit deren Hilfe sie ihre Verhaltensweisen, ihren Metabolismus und auch ihre Physiologie an die periodisch wechselnden Umweltbedingungen auf unserer Erde anpassen können. Die sogenannten circadianen Uhren steuern dabei biologische Rhythmen, die an täglich wiederkehrende Umweltfaktoren angepasst sind. Schon seit Jahrzehnten wurden diese circadianen Uhren von Chronobiologen in verschiedensten Modellorganismen untersucht. Zu diesen gehört auch die Taufliege Drosophila melanogaster, welche im Rahmen dieser Doktorarbeit Verwendung fand. Anatomisch besteht die circadiane Uhr der Taufliege aus etwa 150 sogenannten Uhrneuronen, die sich im dorsalen und lateralen Protocerebrum der Fliege befinden. Diese können anhand ihrer Position im Gehirn, ihrer Morphologie als auch ihrer neurochemischen Eigenschaften charakterisiert werden. Es wurde bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass einige dieser Uhrneuronen jeweils ein oder mehrere Neuropeptide exprimieren, welche mit großer Wahrscheinlichkeit die wichtigsten Signalmoleküle der Uhr darstellen. Dabei ist der „Pigment Dispersing Factor“ (PDF) wohl das Neuropeptid, welches bisher in Bezug auf seine Funktion in der Uhr die größte Aufmerksamkeit fand. Es ist daher auch das Neuropeptid, das bei Weitem am besten untersucht ist. So wurde bereits gezeigt, dass PDF die Oszillationen der Uhrneuronen untereinander synchronisiert und auch in Ausgangssignalwegen der Uhr zu nachgeschalteten Gehirnregionen eine Rolle spielt. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Kollegen, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit untersucht, welche Rolle drei andere Neuropeptide, welche in den Uhrneuronen exprimiert werden, in der Generierung von Verhaltensrhythmen spielen. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung des Neuropeptids F (NPF) des short Neuropeptids F (sNPF) und des Ion Transport Peptids (ITP). Wir konnten für manche dieser Peptide zeigen, dass ihre Verwendung im Uhrnetzwerk unterschiedlicher Drosophila-Arten konserviert zu sein scheint. Im Falle von PDF zeigten sich jedoch Unterschiede in der zellspezifischen Expression in Arten aus südlichen Breitengraden im Vergleich zu Arten aus nördlichen Breitengraden. Zusammen mit ergänzenden Verhaltensdaten anderer Arbeitsgruppen, gehen wir davon aus, dass unterschiedliche Arten bestimmte Eigenschaften ihrer Uhr – wie etwa die Neuropeptid-Expression in bestimmten Zellen – verändert haben, um ihr Verhalten bestmöglich an ihr jeweiliges Habitat anzupassen. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Aktivitätsrhythmik in Fliegen untersucht, in welchen gezielt bestimmte Neuropeptid-Systeme auf genetischem Wege - entweder durch Zellablation oder RNA-Interferenz (RNAi) - manipuliert wurden. Wir konnten zeigen, dass wohl keines der untersuchten Peptide eine ähnlich große Rolle für die Aktivitätsrhythmik spielt wie PDF. Aus früheren Arbeiten geht hervor, dass PDF sowohl für die Aufrechterhaltung eines Rhythmus in konstanter Dunkelheit (DD), als auch für die Generierung der Morgenaktivität und für die richtige Phasenlage der Abendaktivität in Licht-Dunkel Zyklen (LD) essentiell ist. Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen nun, dass NPF und ITP die Abendaktivität in LD fördern, dass sie jedoch nicht die einzigen Faktoren sind, die dies bewerkstelligen. ITP scheint außerdem Aktivität während der Nacht zu hemmen. Des Weiteren stellen ITP und möglicherweise auch sNPF eine schwache Perioden verkürzende Komponente in DD dar, ganz im Gegensatz zu PDF, welches eine Perioden verlängernde Wirkung besitzt. Jedoch scheinen weder ITP, NPF noch sNPF für die generelle Aufrechterhaltung eines Rhythmus in DD nötig zu sein. Vorhergehende Arbeiten wiesen bereits darauf hin, dass PDF wahrscheinlich rhythmisch an den dorsalen Nervenendigungen ausgeschüttet wird. Unsere jetzigen Ergebnisse zeigen desweiteren eine Oszillation in der ITP-Immunfärbung in den dorsalen Projektionen der ITP+ Uhrneuronen in LD, was auch auf eine rhythmische Ausschüttung dieses Peptids schließen lässt. Die rhythmische Freisetzung beider Peptide scheint für die Aufrechterhaltung eines Verhaltensrhythmus in DD wichtig zu sein, da eine konstant hohe Menge an ITP und PDF im dorsalen Gehirn den Freilauf-Rhythmus störten. Die live-Imaging Experimente dieser Arbeit zeigten, dass sNPF auf manche Uhrneuronen inhibitorisch wirkt – auch auf einige, die durch PDF aktiviert werden können. sNPF könnte also als Signalmolekül innerhalb des Uhrnetzwerkes fungieren. Auch NPF führte zu inhibitorischen Zellantworten, jedoch waren diese äußerst schwach und betrafen nur wenige Uhrneuronen, was darauf schließen lässt, dass dieses Peptid wahrscheinlich am Signalausgang der Uhr beteiligt ist. Es war uns bisher nicht möglich dieselben live-Imaging Untersuchungen auch für ITP durchzuführen, jedoch zeigten Überexpressionsstudien mit verschiedenen Treiberlinien, dass auch ITP mit großer Wahrscheinlichkeit im Signalausgang der Uhr fungiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle hier untersuchten Neuropeptide an der Kontrolle der rhythmischen Lokomotoraktivität von Drosophila melanogaster mitwirken. Dabei ist PDF eindeutig der dominierende Faktor, während die anderen Neuropeptide die Wirkung von PDF eher feinregulieren oder komplementieren. Aus den Daten kann geschlossen werden, dass die örtliche und zeitliche Funktionsweise dieser verschiedenen Peptide sehr komplex ist, um sowohl die Prozessierung von Signalen innerhalb des Uhrnetzwerkes als auch in den weitgehend noch unbekannten Ausgangswegen der Uhr zu gewährleisten.

Circadianes und Stress-System sind zwei physiologische Systeme, die dem Organismus helfen sich an Veränderungen ihrer Umwelt anzupassen. Während letzteres spontane und schnelle Antworten auf akute, unvorhersehbare Umweltreize liefert, sagt das circadiane System täglich wiederkehrende Ereignisse vorher and bereitet den Organismus so vorzeitig auf diese nahende Umweltveränderung vor. Dennoch, trotz dieser unterschiedlichen Reaktionsmechanismen agieren beide Systeme nicht komplett autonom. Studien der vergangen Jahre belegen vielmehr eine Interaktion beider Systeme. So postulieren sie zum einem Unterschiede in der Stressantwort in Abhängigkeit von der Tageszeit zu der der Reiz auftritt und weisen zugleich auf eine Zunahme von gestörten biologischen Tagesrhythmen, wie zum Beispiel Schlafstörungen, in Folge von unkontrollierten oder exzessiven Stress hin. Ebenso liefern kürzlich durchgeführte Studien an Vertebraten und Pilzen Hinweise, dass mit p38, eine Stress-aktivierte Kinase, an der Signalweiterleitung zur inneren Uhr beteiligt ist (Hayashi et al., 2003), sogar durch dieses endogene Zeitmesssystem reguliert wird (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) und deuten damit erstmals eine mögliche Verbindung zwischen Stress-induzierten und regulären rhythmischen Anpassungen des Organismus an Umweltveränderungen an. Molekulare und zelluläre Mechanismen dieser Verknüpfung sind bisher noch nicht bekannt. Während die Rolle von p38 MAPK bei der Stress- und Immunantwort in Drosophila melanogaster gut charakterisiert ist, wurden Expression und Funktion von p38 in der inneren Uhr hingegen bislang nicht untersucht. Die hier vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel mittels immunhistochemischer, verhaltensphysiologischer und molekularer Methoden eine mögliche Rolle der Stress-aktivierten Kinase im circadianen System der Fliege aufzudecken. Antikörperfärbungen sowie Studien mit Reporterlinien zeigen deutliche Färbesignale in den s-LNv, l-LNv und DN1a und erbringen erstmals einen Nachweis für p38 Expression in den Uhrneuronen der Fliege. Ebenso scheint die Aktivität von p38 MAPK in den DN1a uhrgesteuert zu sein. So liegt p38 vermehrt in seiner aktiven Form in der Dunkelphase vor und zeigt, neben seiner circadian regulierten Aktivierung, zusätzlich auch eine Inaktivierung durch Licht. 15-Minuten-Lichtpulse in der subjektiven Nacht führen zu einer signifikanten Reduktion von aktivierter, phosphorylierter p38 MAPK in den DN1a von Canton S Wildtypfliegen im Vergleich zu Fliegen ohne Lichtpuls-Behandlung. Aufzeichnungen der Lokomotoraktivität offenbaren zusätzlich die Notwendigkeit von p38 MAPK für wildtypisches Timing der Abendaktivität sowie zum Erhalt von 24-Stunden-Verhaltensrhythmen unter konstanten Dauerdunkel-Bedindungen. So zeigen Fliegen mit reduzierten p38 Level in Uhrneuronen einen verzögerten Beginn der Abendaktivität und stark verlängerte Freilaufperioden. In Übereinstimmung mit Effekten auf das Laufverhalten scheint darüber hinaus die Expression einer dominant-negativen Form von p38b in Drosophila’s wichtigsten Uhrneuronen eine verspätete nukleäre Translokation von Period zur Folge zu haben. Westernblots legen zusätzlich einen Einfluss von p38 auf den Phosphorylierungsgrad von Period nahe und liefern damit einen mögliche Erklärung für den verspäteten Kerneintritt des Uhrproteins. Abschließende Stützung der Westernblotergebnisse bringen in vitro Kinasenassays und deuten auf p38 als eine potentielle „Uhrkinase“ hin, welche auch in vivo Period an Serin 661 sowie weiteren potentiellen Phosphorylierungsstellen phosphorylieren könnte. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit eindeutig auf eine bedeutende Rolle von p38, neben dessen Funkion im Stress-System, auch im circadianen System der Fliege hin und offenbaren damit die Möglichkeit, dass p38 als Schnittstelle zwischen beider Systeme fungiert. / The circadian and the stress system are two distinct physiological systems that help the organism to adapt to environmental challenges. While the latter elicits reactive responses to acute environmental changes, the circadian system predicts daily occurring alterations and prepares the organism in advance. However, despite of these differences both responses are not mutually exclusive. Studies in the last years obviously prove a strong interaction between both systems showing a strong time-related stress response depending on the time of day of stressor presentation on the one hand and increased disturbances of daily rhythms, like sleep disorders, in consequence of uncontrolled or excessive stress on the other. In line with this fact, recent studies in vertebrates and fungi indicate that p38, a stress-activated Kinase, is involved in signaling to the circadian clock (Hayashi et al., 2003) and in turn is additionally regulated by this timekeeping system (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) providing an interesting link between stress-induced and regularly rhythmic adaptations of the organism to environmental changes. However, little is known about molecular and cellular mechanisms of this interconnection. In Drosophila melanogaster the role of p38 MAPK is well characterized in terms of immune and stress response, p38 expression and function in the circadian clock has not been reported so far. Therefore, the present thesis aimed to elucidate a putative role of the stress-activated Kinase in the fly’s circadian system using an immunohistochemical, behavioral as well as molecular approach. Surprisingly, for the first time antibody as well as reporterline studies cleary prove p38 expression in Drosophila clock neurons showing visible staining in s-LNvs, l-LNvs and DN1as. Moreover p38 MAPK in DN1as seems to be activated in a clock-dependent manner. p38 is most active under darkness and, besides its circadian activation, additionally gets inactivated by light. 15 minutes light pulse applied during the dark phase lead to a significant reduction in phosphorylated and activated p38 MAPK in Canton S wildtype flies compared to flies without light pulse treatment. In addition, locomotor activity recordings reveal that p38 is essential for a wild-type timing of evening activity and for maintaining ~24h behavioral rhythms under constant darkness. Flies with reduced p38 activity in clock neurons show delayed evening activity onsets and drastically lengthened the period of their free-running rhythms. In line with these effects on locomotor behavior, the nuclear translocation of the clock protein Period is significantly delayed on the expression of a dominant-negative form of p38b in Drosophila’s most important clock neurons. Western Blots reveal that p38 affects the phosphorylation degree of Period, what is likely the reason for its effects on nuclear entry of Period. In vitro kinase assays additionally confirm the Western Blot results and point to p38 as a potential “clock kinase” phosphorylating Period at Serin 661 and putative phosphorylation sites. Taken together, the results of the present thesis clearly indicate a prominent role of p38 in the circadian system of the fly besides its function in stress-input pathways und open up the possibility of p38 MAPK being a nodal point of both physiological systems.

University, Diss--Heidelberg, 2003.

Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2006.

Universiẗat, Diss., 2000--Stuttgart.

Die vier Crz-Neurone des ventralen Nervensystems von Drosophila melanogaster sammeln Evidenz, wann im Rahmen eines Paarungsakts zirka 6 Minuten vergangen sind. Diese Entscheidung ist für die männliche Fliege von Bedeutung, da das Männchen vor Ablauf dieser ~6 Minuten, welche den Zeitpunkt der Ejakulation darstellen, eher das eigene Leben opfern würde, als dass es die Paarung beenden würde. Nach Ablauf der ~6 Minuten fällt die Motivation des Männchens dagegen dramatisch ab. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst mittels optogenetischer neuronaler Inhibitionsprotokolle sowie Verhaltensanalysen das Phänomen der Evidenz-akkumulation in den Crz-Neuronen genauer charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass die akkumulierte Evidenz auch während einer elektrischen Inhibition der Crz-Neurone persistierte. Dieses Ergebnis warf die Hypothese auf, dass das Äquivalent der akkumulierten Evidenz in den Crz-Neuronen biochemischer Natur sein könnte. Es wurde daraufhin ein Hochdurchsatzscreening-Verfahren entwickelt, mittels dessen 1388 genetische Manipulationen der Crz-Neurone durchgeführt und auf eine Änderung der Evidenzakkumulation getestet wurden. Nur ~30 genetische Manipulationen zeigten eine veränderte Evidenzakkumulation, wobei die meisten dieser Manipulationen den cAMP-Signalweg betrafen. Mittels der optogenetischen Photoadenylatzyklase bPAC, einer Reihe weiterer genetischer Manipulationen des cAMP-Signalwegs sowie der ex vivo Kalzium-Bildgebung und Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie konnte bestätigt werden, dass cAMP das Äquivalent der in den Crz-Neuronen spannungsabhängig akkumulierten Evidenz darstellt, wobei die Kombination dieser Methoden nahelegte, dass der Schwellenwert der Evidenzakkumulation durch die cAMP-Bindungsaffinität der regulatorischen PKA-Untereinheiten festgelegt sein könnte. Mittels genetischer Mosaikexperimente sowie bildgebenden Verfahren konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass innerhalb des Crz-Netzwerks eine positive Rückkopplungsschleife aus rekurrenter Aktivität sowie der cAMP-Akkumulation besteht, welche, sobald die cAMP-Spiegel den Schwellenwert erreichen, zu einem netzwerkweit synchronisierten massiven Kalziumeinstrom führt, was die Abgabe des Crz-Signals an nachgeschaltete Netzwerke triggert. Dieses Phänomen könnte ein Analogon des Aktionspotenzials auf Netzwerkebene sowie auf Intervallzeitskalen darstellen und wurde als „Eruption“ bezeichnet. Genetische, optogenetische sowie Bildgebungsexperimente konnten zeigen, dass die CaMKII derartige Eruptionen durch Niedrighalten der cAMP-Spiegel unterdrückt, was den Zeitmessmechanismus des ersten beschriebenen Intervallzeitmessers CaMKII offenlegt. / The four Crz neurons of the ventral nervous system of Drosophila melanogaster collect evidence about when approximately 6 minutes have elapsed during a mating act. This decision is of importance for the male fly as the male would rather sacrifice his own life than terminate mating before the expiration of these ~6 minutes, which represent the time of ejaculation. After these ~6 minutes, however, the male's motivation drops dramatically. In this dissertation, optogenetic neuronal inhibition protocols as well as behavioral analyses were used to characterize the phenomenon of evidence accumulation in the Crz neurons in more detail. This showed that the accumulated evidence persisted during electrical inhibition of the Crz neurons. This result raised the hypothesis that the equivalent of accumulated evidence in the Crz neurons might be biochemical in nature. A high-throughput-screening-assay was developed using which 1388 genetic manipulations of the Crz neurons were performed and tested for a change in evidence accumulation. Only ~30 genetic manipulations showed altered evidence accumulation, with most of these manipulations involving the cAMP pathway. Using the optogenetic photoadenylyl cyclase bPAC, a number of other genetic manipulations of the cAMP pathway, as well as ex vivo calcium imaging and fluorescence lifetime microscopy techniques, it was confirmed that cAMP represents the equivalent of accumulated evidence in the Crz neurons, and the combination of these methods suggested that the evidence accumulation threshold may be set by the cAMP-binding affinity of regulatory PKA subunits. Using genetic mosaic experiments as well as imaging techniques, it was further shown that within the Crz network there is a positive feedback loop between the recurrent activity as well as the cAMP accumulation, which, once cAMP levels reach the threshold, leads to a network-wide synchronized massive calcium influx, triggering the delivery of the Crz signal to downstream networks. This phenomenon could represent an analog of the action potential at the network level as well as at interval time scales and has been termed an "eruption." Genetic, optogenetic as well as imaging experiments could show that CaMKII suppresses such eruptions by keeping cAMP levels low, revealing the timing mechanism of CaMKII, the first described interval timer.