This thesis explores the influence of social and environmental cues on the nest building behavior of leaf-cutting ants. Especially, the investigations are aimed at evaluating the mechanisms of nest building and how the nest environment can spatially guide building responses that lead to an adaptive nest architecture. The emergence of nest chambers in the nest of the leaf-cutting ant Acromyrmex lundi were evaluated. Rather than excavating nest chambers in advance, at places where workers encounter suitable environmental conditions for brood and fungus rearing, these items have to be present at a site. When presented in the laboratory with a choice between two otherwise identical digging sites, offering suitable environmental conditions, but one containing brood, the workers displayed a higher excavation activity at the site where they encountered the putative content of a chamber. The shape of the excavated cavity was also more round and chamber-like. It is concluded that leaf-cutting ants respond to social cues during nest building. Excavation is a costly process and colonies have to spend a part of their energy stores on nest building, so that regulatory responses for the control of nest excavation are expected to occur. Worker density at the beginning of the digging process influenced digging activity while the presence of in-nest stores did not. Stored brood and fungus did however influence the architecture of the excavated nest, leading to the excavation of larger chambers and smaller tunnels. While self-organized mechanisms appear to be involved in the nest building process, the social cues of the ants’ environment during building clearly influence the nest architecture and lead to an adjustment of the nest size to the current space needs of the colony. Workers secondarily regulated nest size by the opportunistic refilling of unused space with excavated soil pellets. As the ants should provide suitable conditions for brood and fungus rearing, they should show a behavioral response to CO2 concentrations, as the gas is known to hinder fungus respiration. Workers of A. lundi did indeed avoid high CO2-levels for fungus rearing but actually preferred CO2-values in the range encountered close to the soil surface, where this species excavates their nests. However, different CO2-levels did not affect their excavation behavior. While fungus chambers make up part of a leaf-cutting ant nest, most leaf-cutting ants of the genus Atta also spent part of the colony’s energy on excavating large, voluminous chambers for waste disposal, rather than scattering the material aboveground. It is expected that leaf-cutting ants also show environmental preferences for waste management. In experiments Atta laevigata workers preferred deposition in a warm and dry environment and showed no preference for specific CO2-levels. The continued accumulation of waste particles in a waste chamber seems to be based on the use of volatiles. These originate from the waste itself, and seem to be used as an orientation cue by workers relocating the material. The ensuing large accumulation of waste at one site should result in the emergence of more voluminous chambers for waste disposal. / Diese Arbeit erforscht den Einfluss von sozialen und Umwelt-Hinweisen auf das Nestbauverhalten von Blattschneider-Ameisen. Die Untersuchungen sind besonders darauf gerichtet, die Mechanismen des Nestbaus zu erforschen, und wie die Umgebung des Nestes Bau-Antworten räumlich beeinflussen kann, wodurch eine adaptierte Nestarchitektur entsteht. Die Entstehung von Nestkammern in Nestern der Blattschneiderameise Acromyrmex lundi wurde untersucht. Anstatt Nestkammern im Voraus zu graben, an Orten an denen Arbeiterinnen geeignete Umweltbedingungen für Brut- und Pilzwachstum vorfinden, müssen diese Elemente an dieser Stelle anwesend sein. Wenn Arbeiter im Labor die Wahl hatten, an identischen Grabeorten zu graben, aber ein Grabeort ebenfalls Brut anbot, kam es zu einer höheren Grabeaktivität an dem Ort, an dem der voraussichtliche Inhalt einer Kammer, Brut und Pilz, anwesend war. Die Form des gegrabenen Hohlraumes war außerdem runder und entsprach mehr der einer Kammer. Es wurde geschlussfolgert, dass Blattschneiderameisen auf die Anwesenheit dieser sozialen Hinweise während des Nestbaus reagieren. Graben ist ein kostspieliger Prozess und Kolonien müssen einen Teil ihrer Energiereserven für den Nestbau aufwenden. Daher werden regulatorische Prozesse für die Kontrolle des Nestgrabens erwartet. Die Dichte der Arbeiter zu Beginn des Grabeprozesses beeinflusste die Grabeaktivität, während die Anwesenheit von Brut und Pilz dies nicht taten. Anwesende Brut und Pilz beeinflussten hingegen die Architektur des gegrabenen Nestes und führten zum Graben von größeren Kammern und kleineren Tunneln. Während Mechanismen der Selbst-Organisation am Nestbau-Prozess beteiligt sind, beeinflussen die sozialen Hinweise während des Nest-Baus anscheinend die Nest-Architektur und führen zu einer Anpassung der Nestgröße an die momentanen Ansprüche der Kolonie. Arbeiterinnen regulierten sekundär die Nestgröße, indem sie opportunistisch ungenutzten Platz mit ausgegrabenen Pellets auffüllen. Da die Ameisen Brut und Pilz unter geeigneten Umweltbedingungen entwickeln sollten, sollten sie Verhaltensantworten auf verschiedene CO2 Konzentrationen zeigen, da es bekannt ist, dass das Gas die Atmung des symbiontischen Pilzes negativ beeinflussen kann. Arbeiter vermieden in der Tat 4% CO2, zogen aber Konzentrationen von 1% CO2 vor, wie sie auch in den oberflächennahen Erdschichten vorzufinden sind, in denen die untersuchte Art, Acromyrmex lundi, ihre Nester gräbt. Allerdings beeinflussten höhere CO2 Konzentrationen nicht die Grabeaktivität der Arbeiterinnen. Während die Pilzkammern einen Teil eines Blattschneider-Nestes bilden, so verwenden die meisten Arten der Gattung Atta auch einen Teil der Energie der Kolonie auf das Graben von großen, voluminösen Abfallkammern, anstatt das Material an der Erdoberfläche zu verstreuen. Es wird daher erwartet, dass Blattschneiderameisen während der Abfallentsorgung bestimmte Präferenzen für ihre Umwelt zeigen. In Experimenten präferierten Arbeiterinnen von Atta laevigata eine warme und trockene Umgebung, zeigten jedoch keinerlei Präferenz für die CO2 Konzentration ihrer Umgebung. Die kontinuierliche Anhäufung von Abfallpartikeln in einer Abfallkammer scheint auf der Wahrnehmung von Volatilen zu basieren. Diese scheinen vom Abfall selbst auszugehen und zur Orientierung der abfalltragenden Arbeiterinnen zu dienen. Die darauf erfolgende Anhäufung von Abfall an einem Ort sollte zur Entstehung von großvolumigen Kammern zur Abfallentsorgung führen.

Calcium ions can activate intracellular signalling cascades that control key functions in all types of neurons. These functions include neuronal excitability and excitation, synaptic plasticity, cell migration, transmitter release, gene transcription, and apoptosis. The major intracellular neuronal store for calcium is the endoplasmic reticulum (ER), a continuous and dynamic, membranous organelle that extends through all parts of neurons, from axons to dendrites. The calcium concentration in the ER is appr. one thousand fold higher than in the cytosol and this calcium gradient is built up by the sarco-/endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) pump that pumps calcium from the cytosol into the ER. Despite detailed knowledge about various induced calcium signals within neurons, it was still elusive, how resting neurons maintain their ER calcium content at rest. In order to shed light on the calcium homeostasis at rest, the targeted-esterase induced dye loading (TED) technique was improved. TED allows the direct and non-disruptive visualization of ER calcium in presence of extracellular calcium, thus enabling to visualize the dynamic flow of ER calcium. TED is based on the overexpression of an ER-targeted mouse carboxylesterase. Inside the ER the carboxylesterase cleaves the acetoxymethyl ester calcium dye Fluo5N, AM, thereby converting this dye into a calcium sensitive, low-affinity, cell membrane impermeable calcium indicator that is trapped in the ER. When bound to calcium ions and excited by fluorescent light, its fluorescence intensity increases one hundredfold compared to the calcium-free state. It was observed that calcium withdrawal from resting neurons led to a rapid loss of calcium from both the ER and the cytosol, which recovered upon calcium re-addition. It was concluded that a strong calcium influx and efflux must exist under resting conditions that maintain a constant calcium concentration in neurons at rest. TED calcium imaging could visualize this resting calcium influx event. When the inhibitor of store-operated calcium entry (SOCE), SKF-96365, was acutely added to neurons an immediate decline in ER calcium levels was observed, whereas cytosolic calcium levels remained constant. Based on these findings, a novel calcium homeostasis model is proposed in which a strong SOCE-like calcium influx and a corresponding calcium efflux maintain the ER calcium levels at rest. These fluxes are adapted to disturbances in order to maintain a constant calcium level in resting neurons. This study visualizes for the first time the resting calcium flow into the ER. The calcium enters the neurons via a store-operated calcium entry-like mechanism, a form of calcium influx that was thought to be induced by signalling events. / Kalzium kann intrazelluläre Signalkaskaden aktivieren und somit Schlüsselfunktionen in allen Typen von Neuronen kontrollieren. Diese Schlüsselfunktionen umfassen Zellmigration, Freisetzung von Neurotransmittern, synaptische Plastizität, Transkription von Genen und Apoptose. Der wichtigste Speicher für Kalzium in Neuronen ist das endoplasmatische Retikulum (ER); ein kontinuierliches, membranumschlossenes Zellorganell, das sich in alle Teile von Neuronen erstreckt, von Axonen bis zu Dendriten. Im ER ist die Kalziumkonzentration ca. eintausendmal höher als im Zytosol. Dieser Kalziumgradient wird von der sogenannten SERCA, der sarco-/endoplasmic reticulum calcium ATPase, Kalziumpumpe aufrechterhalten, die Kalziumionen aktiv vom Zytosol in das Innere des ER pumpt. Obwohl die einzelnen induzierten Kalziumsignalwege in Neuronen gut untersucht sind, war es lange nicht bekannt wie es Neuronen gelingt die hohe Kalziumkonzentration des ERs in Ruhe aufrechtzuerhalten. Um diese Frage zu klären wurde die sogenannte targeted-esterase induced dye loading (TED) Technik verbessert. TED ermöglicht es ER Kalzium direkt, in intakten Neuronen und in Gegenwart von extrazellulärem Kalzium sichtbar zu machen. Dadurch wird es möglich den Kalziumstrom des ERs direkt zu beobachten. TED beruht darauf, dass eine für das ER bestimmte Carboxylesterase der Maus überexprimiert wird, die sich im ER ansammelt. Im Inneren des ERs wandelt dieses Enzym den synthetischen Kalziumfarbstoff Fluo5N, AM um, der zur Gruppe der Acetoxymethyl-ester gehört. Dadurch wird aus diesem Farbstoff ein kalzium-sensitiver, niedrig-affiner Kalziumindikator, der nicht mehr permeabel für biologische Membranen ist und daher im ER verbleibt. In seiner Kalzium-gebunden Form erhöht sich die Fluoreszenz dieses Indikators einhundertfach im Vergleich zur Kalzium-ungebunden Form, wenn er durch Fluoreszenzlicht angeregt wird. Es wurde beobachtet, dass der Entzug von extrazellulärem Kalzium zu Verlust von Kalzium im ER und Zytosol von Neuronen führt. Bei Rückgabe des Kalziums erholt sich die Kalziumkonzentration wieder. Daraus wurde gefolgert, dass es bei Neuronen in Ruhe einen starken Einstrom und Ausstrom von Kalzium geben muss. Diese Ströme halten den Kalziumgehalt der Neurone konstant. Wenn SKF-96365, ein Inhibitor des sogenannten store-operated calcium entry (SOCE), akut auf die Neurone appliziert wurde, wurde sofort ein Abfall der ER Kalziumkonzentration beobachtet, wohingegen die Kalziumkonzentration des Zytosols gleich blieb. Aufgrund dieser Ergebnisse kann ein neues Kalziumhomöostase-Modell für Neurone vorgeschlagen werden: In ruhenden Neuronen halten ein starker SOCE-ähnlicher Kalziumeinstrom und ein entsprechender Kalziumausstrom den Kalziumgehalt des ERs aufrecht. Diese Ströme werden an Störungen angepasst um eine konstante Kalziumkonzentration zu erreichen. In dieser Studie wird zum ersten Mal der Ruhestrom von Kalzium in das ER sichtbar gemacht. Kalzium gelangt über einen store-operated calcium entry -ähnlichen Mechanismus in die Neurone. Bisher dachte man, dass diese Art von Kalziumeinstrom nur nach Aktivierung von Signalen stattfindet.

Pollenschläuche sind ein Modellsystem zur Untersuchung pflanzlicher Wachstumsprozesse. Zellwachstum in Pollenschläuchen zeichnet sich durch den gerichteten Transport und Fusion von Vesikeln mit der apikalen Zellmembran des Pollenschlauchs aus. Der Vesikeltransport erfolgt entlang des Pollenschlauchs durch Aktin-Filamente bis an die Organell- und Zytoskelett-freie apikale Zone, wo sich die Vesikel sammeln und in oszillierenden Wachstumsschüben mit der apikalen Zellmembran fusionieren (Yang et al., 1998; Zonia et al., 2001, Gu et al., 2005; Chen et al., 2003; Gu et al., 2005; de Graaf et al., 2005; Lee et al., 2008; Cheung et al., 2010; Quin und Yang et al., 2011). Die polaren Wachstumsprozesse des Pollenschlauches sind an ein Ionenflussmuster gekoppelt, welches durch den Einsatz der Vibrating Probe-Technik zeitlich aufgelöst werden konnten. Es konnte ein zeitversetzter oszillierender Einstrom von Calcium, Kalium und Protonen sowie der zeitgleich mit den Wachstumsschüben auftretende oszillierende Ausstrom von Chlorid aus der Pollenschlauchspitze nachgewiesen werden (Kühtreiber und Jaffe et al., 1990; Holdaway-Clarke et al., 1997; Feijo et al., 1999, Messerli et al., 1999, Zonia et al., 2001). Die Inhibierung des Chloridausstroms resultiert in einem sofortigen Wachstumsstopp und verdeutlicht die Notwendigkeit des Anionenausstroms für das polare Zellwachstum in Pollenschläuchen (Breygina et al., 2009). Durch die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente konnten die an dem Anionenausstrom beteiligten Anionenkanäle, sowie deren Ca2+-abhängigen regulatorischen Komponenten identifiziert und mit Hilfe der TEVC-Technik elektrophysiologisch an intakten Arabidopsis thaliana-Pollenschläuchen charakterisiert werden. Weiterhin konnte die physiologische Rolle der für den Anionenausstrom verantwortlichen Kanäle auf das polare Zellwachstum in Arabidopsis thaliana Pollenschläuchen nachgewiesen werden. Durch Transkriptionsanalysen wurde die Expression des S-Typ-Anionenkanals SLAH3 sowie der R-Typ-Anionenkanäle ALMT12, ALMT13 und ALMT14 in Arabidopsis thaliana Pollenschläuchen belegt und deren transkriptionelle Regulation durch die Anionenkonzentration und Komposition des Keimungsmediums nachgewiesen werden. Eine elektrophysiologische Charakterisierung an intakten Arabidopsis thaliana Pollenschläuchen konnte sowohl einen Anstieg der SLAH3 vermittelten S-Typ-Ströme, als auch ALMT12-, ALMT13- und ALMT14 vermittelte R Typ-Anionenströme bei steigenden Anionenkonzentrationen im Keimungsmedium nachweisen. Die Charakterisierung der Verlustmutanten von SLAH3, ALMT12, ALMT13 und ALMT14 resultierte in einer Abnahme des Anionenausstroms und einer Reduktion des Längenwachstums der getesteten Mutanten. Es konnten ebenfalls die regulatorischen Komponenten der Signalkette zur Anionenkanalaktivierung identifiziert werden. Die Aktivierung von SLAH3 und ALMT12 durch die Calcium-abhängigen Kinasen CPK2, CPK20 und CPK6 aus Arabidopsis thaliana Pollenschläuchen konnte mittels einer Kombination von elektrophysiologischen- und molekularbiologischen Techniken nachgewiesen werden. Somit wurden nicht nur die für den Anionenausstrom verantwortlichen Anionenkanäle identifiziert, sondern auch die Signalkette zu deren Aktivierung durch spitzenlokalisierte Calcium-abhängige Kinasen aufgeklärt werden. Diese Signalkaskade führt ebenfalls durch die artifizielle Erhöhung der zytoplasmatischen Calciumkonzentration durch das Calcium-Ionophor A23187 zu einem Anstieg des S Typ- und R Typ Anionenkanalaktivität in Arabidopsis thaliana-Pollenschläuchen. Eine intensivere Charakterisierung des entdeckten Calcium-vermittelten Anionenausstroms erfolgte am transgenen pLat52-Chlorid-Sensor bzw. an YC3.6 Tabak Pollenschläuchen durch die Kombination von TEVC-Technik und Fluoreszensmikroskopie. Dies ermöglichte die simultane Messung der zytoplasmatischen Calcium- bzw. Chloridkonzentration in Nicotiana tabacum Pollenschläuchen bei gleichzeitiger Ableitung der Ganzzellströme. Die elektrophysiologische und fluoreszenzmikroskopische Charakterisierung erbrachte erstmals den Nachweis für eine exklusive Lokalisation von hyperpolarisations-aktivierten Calciumkanälen in der Pollenschlauchspitze, welche sich durch die Verwendung der TEVC-Technik gezielt aktivieren ließen. Diese Aktivierung der spitzenlokalisierten Calciumkanäle induziert den Anionenausstrom durch den Anstieg der apikalen Calciumkonzentration. Die Inhibierung der Calciumkanäle durch den Calciumkanalblocker Lanthan führt zu einem vollständigen Verlust des Calciumeinstroms und des daraus resultierenden Anioneneinstroms. Durch die Inhibierung der Calciumkanäle kommt es gleichzeitig zu einer Akkumulation von Chlorid in der apikalen Zone, die zum Anschwellen der Pollenschlauchspitze führt. Die Inhibierung der Anionenkanäle durch Niflumsäure hat hingegen keinen Einfluss auf den spitzenlokalisierten Calciumeinstrom, sondern reduziert nur den gemessenen Anionenausstrom. Somit wird ein kausaler Zusammenhang zwischen der Erhöhung der apikalen Ca2+-Konzentration und einer Anionenkanalaktivierung weiter verdeutlicht. Durch die Anwendung der TEVC-Technik an intakten Pollenschläuchen konnten erstmals Aktionspotenzial ähnliche Depolarisierungstransienten, welche sich auf die apikale Zone des Pollenschlauchs beschränken und zeitgleich mit dem Anionenausstrom stattfinden, nachgewiesen werden. Durch diese Arbeit kann erstmals ein Modell des Calcium-vermittelten oszillierenden Anionenausstroms aus der Pollenschlauchspitze aufgestellt werden. Dieses verknüpft die Regulation der beteiligten R-Typ-Anionenkanäle ALMT12, ALMT13 und ALMT14 und des S-Typ-Anionenkanals SLAH3 durch die Calcium-abhängigen Kinasen CPK2, CPK20 und CPK6 mit dem spitzenlokalisierten oszillierenden Calciumeinstrom. Das Modell verdeutlicht die physiologische Bedeutung des simultanen Ca2+-Ein- und Anionenausstroms für das polare Zellwachstum von Pollenschläuchen. / In this study pollen tubes were used as a model cell system to study plant polar growth. Polar cell growth is characterized by a vectorial transport of vesicles to the apical dome of pollen tubes. Vesicles fuse with the apical plasma membrane leading to a polar elongation of the tube tip. Vesicle transport to the clear zone is mediated by F actine bundles and these vesicles serve as a pool of membranes for the surface increase. In an oscillatory growth pulse the vesicle move from the clear zone to the apical plasma membrane in order to fuse with the plasma membrane (Yang et al., 1998; Zonia et al., 2001, Gu et al., 2005; Chen et al., 2002; Gu et al., 2005; de Graaf et al., 2005; Lee et al., 2008; Cheung et al., 2010; Quin und Yang et al., 2011). Pollen tube elongation is associated with a distinct pattern of ion fluxes that cannot be uncoupled from the growth process. A tip localized influx of calcium, potassium and protons, as well as the simultaneous oscillatory apical efflux of chloride are features of growing pollen tubes (Kühtreiber und Jaffe et al., 1990; Holdaway-Clarke et al., 1997; Feijo et al., 1999, Messerli et al., 1999, Zonia et al., 2001). Inhibition of apical chloride efflux leads to an instantaneous pollen tube growth arrest (Breygina et al., 2009) demonstrating the importance of the oscillatory apical chloride efflux for cell elongation. Within the framework of this dissertation, I was able to identify the anion channels responsible for anion fluxes and to characterize the regulatory components for channel activation by using the TEVC technique in intact pollen tubes. A quantitative analysis of ion channel transcripts in Arabidopsis thaliana pollen tubes via qRT-PCR demonstrated the expression of the S-type anion channel SLAH3, the R-type anion channels ALMT12, ALMT13 and ALMT14 as well as their transcriptional regulation by different anion concentrations. The electrophysiological characterization of the anion currents in intact pollen tubes revealed an anion concentration that depends on an increase in SLAH3 mediated S-type currents and ALMT12, ALMT13 and ALMT14 mediated R-type currents with rising anion concentrations in the germination medium. The electrophysiological characterization of slah3, almt12, almt12 x almt13 and almt12 x almt14 knock-out mutant pollen tubes resulted in decreased anion currents and a reduction in pollen tube length compared to the wild-type. An activation of SLAH3 and ALMT12 by the calcium dependent kinases CPK2, CPK20 and CPK6 in Arabidopsis thaliana pollen tubes was proven with a combination of electrophysiological and molecular biology techniques. Strong evidence is presented here for the regulation of oscillatory anion efflux by simultaneous calcium influx at the pollen tube tip via calcium dependent kinases. An increase of the cytoplasmic calcium concentration by the calcium ionophore A23187 leads to an increase of S-type and R-Type anion channel current in Arabidopsis thaliana pollen tubes. In order to substantiate the hypothesis of a Ca2+-dependent anion channel activation mechanism in pollen tubes a combination of TEVC technique and fluorescence microscopy was applied with transgenic tobacco pollen tubes expressing the genetically encoded anion- and Ca2+-reporters Cl--Sensor and YC3.6, respectively. This technique enabled the simultaneous measurement of the cytoplasmic calcium- or chloride concentration along with voltage-clamp experiments. The application of 1 sec lasting hyperpolarization pulses with the TEVC technique and simultaneous live-cell Ca2+- and anion imaging demonstrated the existence of hyperpolarization activated calcium channels in the pollen tube tip. The activation of the tip localized calcium channels by -200 mV pulses evoked a decrease in apical anion concentration depending on an elevation of the calcium concentration at the pollen tube tip. Inhibition of the calcium channels by lanthan abolished the calcium influx and subsequently the anion efflux. Inhibiting the Ca2+ channels resulted in an apical accumulation of the cytoplasmic anion concentration and led to pollen tube tip swelling. Anion channel inhibition by niflumic acid did not alter tip localized calcium influx providing sufficient evidence for a causal relationship between Ca2+- and anion channel activity. Furthermore, evidence is presented for the existence of membrane potential spikes in the pollen tube tip caused by the Ca2+-dependent anion channel activation that look very similar to action potentials and were located in the pollen tube tip. This local restriction of the Ca2+-dependent anion channel activation to the region of growth shows the necessity of the anion efflux for the pollen tube elongation. On the basis of this dissertation I was able to propose a model of a calcium-dependent anion channel activation mechanism in the pollen tube tip, which involves the R-type anion channels ALMT12, ALMT13 and ALMT14 and the S-type anion channel SLAH3 being regulated by the calcium dependent kinases CPK2, CPK20 and CPK6. The model highlights the physiological relevancy of the interplay between the tip focused anion efflux and Ca2+ influx for the pollen tube growth process.

The liver plays a pivotal role in maintaining energy homeostasis. Hepatic carbohydrate and lipid metabolism are tightly regulated in order to adapt quickly to changes in nutrient availability. Postprandially, the liver lowers the blood glucose levels and stores nutrients in form of glycogen and triglycerides (TG). In contrast, upon fasting, the liver provides glucose, TG, and ketone bodies. However, obesity resulting from a discrepancy in food intake and energy expenditure leads to abnormal fat accumulation in the liver, which is associated with the development of hepatic insulin resistance, non-alcoholic fatty liver disease, and diabetes. In this context, hepatic insulin resistance is directly linked to the accumulation of diacylglycerol (DAG) in the liver. Besides being an intermediate product of TG synthesis, DAG serves as second messenger in response to G-protein coupled receptor signaling. Protein kinase D (PKD) family members are DAG effectors that integrate multiple metabolic inputs. However, the impact of PKD signaling on liver physiology has not been studied so far. In this thesis, PKD3 was identified as the predominantly expressed isoform in liver. Stimulation of primary hepatocytes with DAG as well as high-fat diet (HFD) feeding of mice led to an activation of PKD3, indicating its relevance during obesity. HFD-fed mice lacking PKD3 specifically in hepatocytes displayed significantly improved glucose tolerance and insulin sensitivity. However, at the same time, hepatic deletion of PKD3 in mice resulted in elevated liver weight as a consequence of increased hepatic lipid accumulation. Lack of PKD3 in hepatocytes promoted sterol regulatory element-binding protein (SREBP)-mediated de novo lipogenesis in vitro and in vivo, and thus increased hepatic triglyceride and cholesterol content. Furthermore, PKD3 suppressed the activation of SREBP by impairing the activity of the insulin effectors protein kinase B (AKT) and mechanistic target of rapamycin complexes (mTORC) 1 and 2. In contrast, liver-specific overexpression of constitutive active PKD3 promoted glucose intolerance and insulin resistance. Taken together, lack of PKD3 improves hepatic insulin sensitivity but promotes hepatic lipid accumulation. For this reason, manipulating PKD3 signaling might be a valid strategy to improve hepatic lipid content or insulin sensitivity. However, the exact molecular mechanism by which PKD3 regulates hepatocytes metabolism remains unclear. Unbiased proteomic approaches were performed in order to identify PKD3 phosphorylation targets. In this process, numerous potential targets of PKD3 were detected, which are implicated in different aspects of cellular metabolism. Among other hits, phenylalanine hydroxylase (PAH) was identified as a target of PKD3 in hepatocytes. PAH is the enzyme that is responsible for the conversion of phenylalanine to tyrosine. In fact, manipulation of PKD3 activity using genetic tools confirmed that PKD3 promotes PAH-dependent conversion of phenylalanine to tyrosine. Therefore, the data in this thesis suggests that PKD3 coordinates lipid and amino acid metabolism in the liver and contributes to the development of hepatic dysfunction. / Die Leber spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Energiehomöostase. Der hepatische Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel ist stark reguliert, um sich schnell an Veränderungen in der Nährstoffverfügbarkeit anzupassen. Die Leber senkt postprandial den Blutzuckerspiegel und speichert Nährstoffe in Form von Glykogen und Triglyzeriden (TG). Im Gegensatz dazu stellt die Leber beim Fasten Glukose, TG und Ketonkörper bereit. Fettleibigkeit, welche aus einer Diskrepanz zwischen Nahrungsaufnahme und Energieaufwand resultiert, führt allerdings zu einer abnormalen Fettansammlung in der Leber, die mit der Entwicklung von Leberinsulinresistenz, nicht-alkoholischen Fettlebererkrankungen und Diabetes einhergeht. Hepatische Insulinresistenz steht dabei in direktem Zusammenhang mit der Akkumulation von Diacylglycerol (DAG) in der Leber. DAG ist nicht nur ein Zwischenprodukt der TG-Synthese, sondern dient auch als sekundärer Messenger im G-Protein-gekoppelten Rezeptor-Signalweg. Die Mitglieder der Proteinkinase D (PKD)-Familie sind DAG-Effektoren, die vielfache metabolische Inputs integrieren. Jedoch wurden die Auswirkungen der PKD-Signalwirkung auf die Leberphysiologie bisher nicht untersucht. Im Rahmen dieser Thesis wurde PKD3 als die in der Leber überwiegend exprimierte Isoform identifiziert. Die Stimulation von primären Hepatozyten mit DAG sowie die Fütterung von Mäusen mit fettreicher Nahrung (HFD) führte zu einer Aktivierung von PKD3, was auf eine Relevanz von PKD3 bei Fettleibigkeit hinweist. Mäusen, welchen PKD3 spezifisch in Hepatozyten fehlte und mit HFD gefüttert wurden, zeigten eine deutlich verbesserte Glukosetoleranz und Insulinsensitivität. Gleichzeitig führte jedoch die hepatische Deletion von PKD3 bei Mäusen zu einem erhöhten Lebergewicht in Folge einer erhöhten Lipidakkumulation in der Leber. Das Fehlen von PKD3 in Hepatozyten förderte die Sterol Regulatory Element-Binding Protein (SREBP)-vermittelte de novo Lipogenese in vitro und in vivo und erhöhte damit den Gehalt an Triglyceriden und Cholesterol in der Leber. Darüber hinaus supprimierte PKD3 die Aktivierung von SREBP, indem es die Aktivität der Insulin-Effektoren Proteinkinase B (AKT) und mechanistisches Ziel von Rapamycin- Komplexen (mTORC) 1 und 2 verminderte. Im Gegensatz dazu förderte die leberspezifische Überexpression von konstitutiv aktiver PKD3 die Glukoseintoleranz und Insulinresistenz. Zusammenfassend verbessert der Mangel an PKD3 die hepatische Insulinempfindlichkeit, aber fördert gleichzeitig die Akkumulation von Lipiden in der Leber. Aus diesem Grund könnte das Eingreifen in den PKD3-Signalweg eine gute Strategie zur Verbesserung des hepatischen Lipidgehalts oder der Insulinempfindlichkeit sein. Allerdings bleibt der genaue molekulare Mechanismus, mit dem PKD3 den Stoffwechsel von Hepatozyten reguliert, unklar. Es wurden unvoreingenommene proteomische Ansätze durchgeführt, um PKD3- Phosphorylierungsziele zu identifizieren. In diesem Prozess wurden zahlreiche potenzielle Ziele von PKD3 entdeckt, welche in den verschiedensten Aspekten des Zellstoffwechsels involviert sind. Unter anderem wurde Phenylalaninhydroxylase (PAH) als Ziel von PKD3 in Hepatozyten identifiziert. PAH ist das Enzym, welches für die Umwandlung von Phenylalanin in Tyrosin verantwortlich ist. Tatsächlich bestätigte die Manipulation der PKD3-Aktivität mit Hilfe von genetischen Werkzeugen, dass PKD3 die PAH-abhängige Umwandlung von Phenylalanin in Tyrosin fördert. Deswegen legen die Daten in dieser Arbeit nahe, dass PKD3 den Lipid- und Aminosäurestoffwechsel in der Leber koordiniert und zur Entwicklung von Leber- Dysfunktion beiträgt.

Synaptische Plastizität wird als Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse in unserem Gehirn angesehen. Aktive Zonen (AZ) und ihre spezifischen Proteine modulieren diesen Prozess und bahnen essentielle Vorgänge der synaptischen Transmission. In dieser Arbeit wurden drei zentrale Proteine Aktiver Zonen - Bruchpilot, RIM (Rab3 interacting molecule) und Fife - untersucht und ihre Rolle bei konditionierten Lernprozessen in Drosophila melanogaster Larven geprüft. Hierzu wurde das etablierte Paradigma des larvalen appetitiven olfaktorischen Lernens genutzt, bei dem eine Gruppe von Larven lernt, einen Duft mit einem gustatorischen Verstärker zu koppeln. Durch die vielfältigen genetischen Manipulationsmöglichkeiten des Modellorganismus war es möglich, die Funktion der Proteine bei assoziativen Lernvorgängen selektiv zu betrachten. Bruchpilot wird für den funktionellen Aufbau Aktiver Zonen in Drosophila benötigt und ist wichtig für die Akkumulation von Calcium-Kanälen in der Nähe von AZ. Durch gentechnische Veränderungen dieses Proteins ließ sich jedoch keine Beeinträchtigung im olfaktorischen Lernverhalten von Drosophila Larven beobachten. RIM fungiert durch seine Interaktionsdomänen als Bindeglied zwischen verschiedensten Effektoren und hat Einfluss auf synaptische Plastizität. Es wurde gezeigt, dass eine Punktmutation in der C2A-Domäne von RIM beim Menschen gleichzeitig zur Retinadegeneration und zu einem gesteigert verbalen IQ (Intelligenzquotient) führt. Eine durch die hohe Homologie vergleichbare Mutation im Drosophila-Genom resultierte nicht in einem veränderten Phänotyp im olfaktorischen Lernen. Fife ist ein Protein, das für eine funktionsfähige Architektur von AZ und damit u.a. für den reibungslosen Vesikelverkehr zuständig ist. Es zeigte sich, dass dieses Protein auch synaptische Plastizität und Lernvorgänge beeinflusst. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind ein Beitrag, um die Zusammenhänge der synaptischen Plastizität und die Funktion Aktiver Zonen Proteine besser begreifen zu können. Hervorzuheben dabei ist, dass die Bruchpilot- und RIM-Mutanten-Larven keinen veränderten Phänotyp, bzw. bei Fife nur teilweise einen eingeschränkten Phänotyp im olfaktorischen larvalen Lernen im Vergleich zu den Wildtyp-Kontrollen zeigten. Gleichwohl man früher schon signifikante strukturelle Veränderungen an Aktiven Zonen dieser Mutanten an der neuromuskulären Endplatte und auch Effekte auf das Verhalten in adulten Drosophila gefunden hat. Es wird entscheidend sein, den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion Aktiver Zonen Proteine weiter zu konkretisieren. / Synaptic plasticity is considered to be the basis for learning and memory in our brain. Active zones (AZ) and its proteins orchestrate this process and are crucial to synaptic transmission. This work focused on three essential AZ proteins - Bruchpilot, RIM (Rab3 interacting molecule) and Fife- and their role in conditioned learning behaviour in Drosophila melanogaster larvae. To do so the well-established appetitive olfactory learning paradigm was used, in which a group of larvae is trained to learn that a specific odour is linked to a gustatory reinforcer. Due to the various genetic possibilities of Drosophila larvae it was possible to specifically study the function of each protein in associative learning behaviour. Bruchpilot is important for AZ structure in Drosophila and the accumulation of calcium channels in close proximity to active zones. Genetic manipulation of this protein did not impair olfactory learning in Drosophila larvae. Through its various interaction domains RIM connects with different molecular effectors and modulates synaptic plasticity. In Humans a point mutation in the C2A-domain of the protein leads to cone rod dystrophy and an elevated verbal IQ at the same time. A similar mutation in the Drosophila genome, thanks to the high genetic homologies, did not result in an altered phenotype. Fife is responsible for normal AZ architecture and also for efficient vesicle trafficking. It was shown that this protein modulates synaptic plasticity and learning processes. The results of this work contribute to a better understanding of synaptic plasticity and the function of active zone proteins. I would like to point out that Bruchpilot and RIM mutants did not show modified phenotypes in appetitive olfactory learning whereas Fife mutants were partially impaired in the tested paradigm compared to control groups. Although in previous works those mutants were found to cause structural changes at active zones in neuromuscular junctions and to affect learning behaviour in Drosophila adults. In future studies it will be crucial to determine the particular task and to specify the structure to function relationship of each AZ protein.

The behavior of honeybees and bumblebees relies on a constant sensory integration of abiotic or biotic stimuli. As eusocial insects, a sophisticated intraspecific communication as well as the processing of multisensory cues during foraging is of utter importance. To tackle the arising challenges, both honeybees and bumblebees have evolved a sophisticated olfactory and visual processing system. In both organisms, olfactory reception starts at the antennae, where olfactory sensilla cover the antennal surface in a sex-specific manner. These sensilla house olfactory receptor neurons (ORN) that express olfactory receptors. ORNs send their axons via four tracts to the antennal lobe (AL), the prime olfactory processing center in the bee brain. Here, ORNs specifically innervate spheroidal structures, so-called glomeruli, in which they form synapses with local interneurons and projection neurons (PN). PNs subsequently project the olfactory information via two distinct tracts, the medial and the lateral antennal-lobe tract, to the mushroom body (MB), the main center of sensory integration and memory formation. In the honeybee calyx, the sensory input region of the MB, PNs synapse on Kenyon cells (KC), the principal neuron type of the MB. Olfactory PNs mainly innervate the lip and basal ring layer of the calyx. In addition, the basal ring receives input from visual PNs, making it the first site of integration of visual and olfactory information. Visual PNs, carrying sensory information from the optic lobes, send their terminals not only to the to the basal ring compartment but also to the collar of the calyx. Receiving olfactory or visual input, KCs send their axons along the MB peduncle and terminate in the main output regions of the MB, the medial and the vertical lobe (VL) in a layer-specific manner. In the MB lobes, KCs synapse onto mushroom body output neurons (MBON). In so far barely understood processes, multimodal information is integrated by the MBONs and then relayed further into the protocerebral lobes, the contralateral brain hemisphere, or the central brain among others. This dissertation comprises a dichotomous structure that (i) aims to gain more insight into the olfactory processing in bumblebees and (ii) sets out to broaden our understanding of visual processing in honeybee MBONs. The first manuscript examines the olfactory processing of Bombus terrestris and specifically investigates sex-specific differences. We used behavioral (absolute conditioning) and electrophysiological approaches to elaborate the processing of ecologically relevant odors (components of plant odors and pheromones) at three distinct levels, in the periphery, in the AL and during olfactory conditioning. We found both sexes to form robust memories after absolute conditioning and to generalize towards the carbon chain length of the presented odors. On the contrary, electroantennographic (EAG) activity showed distinct stimulus and sex-specific activity, e.g. reduced activity towards citronellol in drones. Interestingly, extracellular multi-unit recordings in the AL confirmed stimulus and sex-specific differences in olfactory processing, but did not reflect the differences previously found in the EAG. Here, farnesol and 2,3-dihydrofarnesol, components of sex-specific pheromones, show a distinct representation, especially in workers, corroborating the results of a previous study. This explicitly different representation suggests that the peripheral stimulus representation is an imperfect indication for neuronal representation in high-order neuropils and ecological importance of a specific odor. The second manuscript investigates MBONs in honeybees to gain more insights into visual processing in the VL. Honeybee MBONs can be categorized into visually responsive, olfactory responsive and multimodal. To clarify which visual features are represented at this high-order integration center, we used extracellular multi-unit recordings in combination with visual and olfactory stimulation. We show for the first time that information about brightness and wavelength is preserved in the VL. Furthermore, we defined three specific classes of visual MBONs that distinctly encode the intensity, identity or simply the onset of a stimulus. The identity-subgroup exhibits a specific tuning towards UV light. These results support the view of the MB as the center of multimodal integration that categorizes sensory input and subsequently channels this information into specific MBON populations. Finally, I discuss differences between the peripheral representations of stimuli and their distinct processing in high-order neuropils. The unique activity of farnesol in manuscript 1 or the representation of UV light in manuscript 2 suggest that the peripheral representation of a stimulus is insufficient as a sole indicator for its neural activity in subsequent neuropils or its putative behavioral importance. In addition, I discuss the influence of hard-wired concepts or plasticity induced changes in the sensory pathways on the processing of such key stimuli in the peripheral reception as well as in high-order centers like the AL or the MB. The MB as the center of multisensory integration has been broadly examined for its olfactory processing capabilities and receives increasing interest about its visual coding properties. To further unravel its role of sensory integration and to include neglected modalities, future studies need to combine additional approaches and gain more insights on the multimodal aspects in both the input and output region. / Honigbienen und Hummeln sind aufgrund ihrer Lebensweise auf die ständige Verarbeitung sensorischer Eindrücke abiotischen und biotischen Ursprungs angewiesen. Als eusoziale Insekten ist hierbei für beide Arten die Wahrnehmung innerartlicher Kommunikation wie auch die Verarbeitung multisensorischer Einflüsse während der Nahrungssuche von essenzieller Bedeutung. Um die daraus resultierenden vielfältigen Herausforderungen erfolgreich bewältigen zu können, verfügen Honigbienen und Hummeln über eine fortschrittliche Verarbeitung olfaktorischer und visueller Reize. In beiden Arten beginnt die Geruchsrezeption an den Antennen, welche geschlechtsspezifisch von zahlreichen olfaktorischen Sensillen besetzt sind. Diese beinhalten olfaktorische Rezeptorneurone (ORN), in welchen die Expression der Geruchsrezeptoren stattfindet. Axone der ORNs laufen dabei gebündelt über vier verschiedene Trakte in den Antennallobus (AL), das erste olfaktorische Verarbeitungszentrum im Bienengehirn. Im AL verschalten ORNs mit lokalen Interneuronen und Projektionsneuronen (PN) in kugelförmigen Strukturen, den sogenannten Glomeruli. PNs leiten die olfaktorische Information daraufhin über zwei charakteristische Trakte, den medialen und lateralen Antennallobustrakt, in den Pilzkörper (MB), das Verarbeitungszentrum für die Integration sensorischer Eindrücke und Gedächtnisbildung. Im Calyx der Honigbiene, der sensorischen Eingangsregion des MB, bilden die Endköpfchen der PNs synaptische Verbindungen mit Kenyonzellen (KC), den primären Nervenzellen im MB. Die Innervation des Calyx durch die PNs ist dabei spezifisch in drei verschiedenen Zonen organisiert, nämlich in Lippe, Hals und basalen Ring. Während die Lippe vornehmlich olfaktorische Information von PNs aus dem AL erhält, wird der basale Ring zusätzlich auch von visuellen PNs, welche Informationen aus dem optischen Lobus einbringen, angesteuert. Der basale Ring der Honigbiene wird dabei Ort der ersten räumlichen Integration visuellen und olfaktorischen Eingangs. Wiederum ähnlich zum unimodalen Eingang der Lippe, bezieht auch der Hals des Calyx grundsätzlich nur sensorischen Eingang einer Modalität, nämlich visuelle Information von PNs aus dem optischen Lobus. KCs verschalten im weiteren Verlauf die olfaktorischen und visuellen Informationen an Pilzkörperausgangsneurone (MBON). In einem bisher kaum erforschten Vorgang wird diese multimodale Information dabei verarbeitet und dann mithilfe der MBONs in verschiedene Bereiche des Gehirns geleitet, z.B. in die protocerebralen Loben, die kontralaterale Gehirnhemisphäre oder das Zentralgehirn. Diese Dissertation ist zweigeteilt und behandelt zuerst (i) die geschlechtsspezifische Verarbeitung olfaktorischer Reize in Hummeln und bespricht im zweiten Teil (ii) neue Einblicke in die neuronale Weiterverarbeitung visueller Reize durch MBONs in der Honigbiene. Manuskript 1 untersucht die Abläufe der Geruchsverarbeitung von Bombus terrestris und beschreibt geschlechtsspezifische Unterschiede. Hierbei wurden sowohl verhaltensbasierte als auch elektrophysiologische Methoden genutzt um die Wahrnehmung ökologisch relevanter Duftstoffe (Komponenten unterschiedlicher Pflanzendüfte oder Pheromone) auf drei verschiedene Weisen zu untersuchen, nämlich in der Peripherie, im AL und mittels olfaktorischer Konditionierung. Wir fanden in beiden Geschlechtern eine robuste Gedächtnisbildung nach absoluter Konditionierung und eine ausgeprägte Generalisierung anhand der Kohlenstoffkettenlänge der präsentierten Duftstoffe. Anders stellten sich die Ergebnisse der elektroantennographischen (EAG) Untersuchungen dar. Hier zeigten sowohl Drohnen als auch Arbeiterinnen neuronale Aktivität mit spezifischen Unterschieden zwischen den Stimuli, aber auch zwischen den Geschlechtern auf, z.B. löste die Applikation von Citronellol eine deutliche verringerte Reaktion in der EAG Aktivität der Drohnen aus. Interessanterweise zeigten auch extrazelluläre Ableitungen im AL stimulus- und geschlechtsspezifische Unterschiede, jedoch in unterschiedlicher Konstellation als in den EAG-Experimenten. Besonders Farnesol und 2,3-Dihydrofarnesol wiesen vor allem bei Arbeiterinnen eine deutliche Repräsentation in der neuronalen Aktivität auf; ein Alleinstellungsmerkmal welches für Farnesol bereits in einer früheren Studie beschrieben wurde. Diese explizit unterschiedliche neuronale Darstellung von Farnesol und 2,3-Dihydrofarnesol in der Peripherie und im AL führt zu der Annahme, dass die rezeptive Darstellung eines Stimulus in der Peripherie keine zuverlässigen Rückschlüsse über die neuronale Repräsentation in höheren Zentren oder die ökologische Relevanz zulässt. Im zweiten Manuskript stehen MBONs der Honigbiene im Fokus, um mehr Einblicke in die visuelle Verarbeitung im VL zu erlangen. Bisher können MBONs in folgende Klassen unterteilt werden: Visuelle, olfaktorische und multimodale MBONs, welche sensitiv für beide Modalitäten sind. Kern dieser Arbeit ist, mittels extrazellulärer Ableitungen festzustellen, welche zusätzlichen Aspekte eines visuellen Stimulus in diesem zentralen Verarbeitungszentrum repräsentiert sind. Dabei konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass Informationen über die Wellenlänge und die Intensität des Lichtstimulus im VL erhalten sind. Im weiteren Verlauf konnte eine Spezifizierung der bisherigen Kategorisierung visueller und multimodaler MBONs in drei weitere Untergruppen vollzogen werden: MBONs die spezifisch die Intensität, die Identität und dein Eingang eines Stimulus kodieren. Des Weiteren zeigte vor allem die Gruppe der Identitäts-MBONs eine bemerkenswerte Kategorisierung von UV-Licht. Diese neuen Erkenntnisse bestätigen die Ansicht, dass der MB, als Zentrum für sensorische Integration, eine Kategorisierung der verarbeiteten Eindrücke vornimmt und diese daraufhin auf die MBONs verschalten wird. Abschließend diskutiere ich Unterschiede in der peripheren Repräsentation von Stimuli und ihrer späteren neuronalen Verarbeitung. Hier zeige ich, die Aktivität von Farnesol in MS1 und UV-Licht MS2 als Beispiel nehmend, dass die periphere Repräsentation eines Stimulus keine sicheren Schlussfolgerungen über die nachfolgend induzierte neurale Aktivität oder die verhaltensrelevante Bedeutung zulässt. Im weiteren Verlauf werden dabei die Einflüsse konservierter Strukturen und plastischer Änderungen auf die Abläufe der sensorischen Peripherie oder der höheren Verarbeitungszentren, wie dem AL oder dem MB gezeigt. Obwohl der MB, das Zentrum für multimodale Integration und Gedächtnis, hinsichtlich seiner Rolle in der Geruchswahrnehmung ausgiebig erforscht ist, gibt es bezüglich der visuellen Verarbeitung oder dem Einfluss anderer Modalitäten noch ungeklärte Abläufe und Fragen. Wenngleich auch hier die Kenntnis speziell über die visuelle Verarbeitung im MB stetig zunimmt, sollten zukünftige Arbeiten mithilfe weiterer Methoden den MB Eingang und Ausgang explizit auf den Einfluss weiterer Modalitäten untersuchen, um so ein umfassenderes Bild über die Abläufe multimodaler Integration zu erhalten.

Die Lunge erfüllt durch den Austausch von Atemgasen eine überlebenswichtige Aufgabe. Der Gasaustausch erfolgt durch einen einfachen, aber entscheidenden passiven Diffusionsprozess. Dieser findet in den Alveolen statt, ballonartigen Strukturen, die an die peripheren Atemwege grenzen. Alveolen sind von einem dichten Netz aus kleinen Kapillaren umgeben. Hier kommt die eingeatmete Luft in unmittelbare Nähe zu dem vom Herzen kommenden sauerstoffarmen Blut und ermöglicht den Austausch von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid über deren Konzentrationsgradienten. Die Effizienz des Gasaustauschs kann anhand von Indikatoren wie der Sauerstoffdiffusionskapazität der Lunge und der Reaktionshalbzeit gemessen werden. Beim Menschen besteht eine beträchtliche Diskrepanz zwischen physiologischen Schätzungen der Diffusionskapazität und der theoretischen Maximalkapazität unter optimalen strukturellen Bedingungen (der morphologischen Schätzung). Diese Diskrepanz wird durch eine Reihe ineinandergreifender Faktoren beeinflusst, darunter strukturelle Elemente wie die Oberfläche und die Dicke der Diffusionsbarriere sowie physiologische Faktoren wie die Blutflussdynamik. Um die verschiedenen Rollen dieser Faktoren zu entschlüsseln, untersuchten wir, wie die morphologischen und physiologischen Eigenschaften der menschlichen alveolären Mikroumgebung kollektiv und individuell den Prozess des Gasaustauschs beeinflussen. Zu diesem Zweck entwickelten wir einen integrativen in silico Ansatz, der 3D morphologische Modellierung und Simulation von Blutfluss und Sauerstofftransport kombiniert. Im Mittelpunkt unseres Ansatzes steht die Simulationssoftware Alvin, die als interaktive Plattform für das zugrundeliegende mathematische Modell des Sauerstofftransports in der Alveole dient. Unser räumlich-zeitliches Modell wurde durch die Integration und Erweiterung bestehender mathematischer Modelle entwickelt und liefert Ergebnisse, die mit experimentellen Daten im Einklang stehen. Alvin ermöglicht eine immersive Auseinandersetzung mit dem simulierten Gasaustausch, indem sie Parameteränderungen in Echtzeit und die Ausführung mehrerer Simulationsinstanzen gleichzeitig ermöglicht während sie ein detailliertes quantitatives Feedback liefert. Die beteiligten morphologischen und physiologischen Parameter wurden mit einem Fokus auf der Mikrovaskulatur weiter untersucht. Durch die Zusammenstellung stereologischer Daten aus der Literatur und geometrischer 3D-Modellierung erstellten wir ein "sheet-flow" Modell als realistische Darstellung des menschlichen alveolären Kapillarnetzwerks. Blutfluss wurde mit Hilfe numerischer Strömungsdynamik simuliert. Unsere Ergebnisse stimmen mit früheren Schätzungen überein und unterstreichen die entscheidende Rolle von Viskositätsmodellen bei der Vorhersage des Druckabfalls in der Mikrovaskulatur. Darüber hinaus zeigten wir, wie unser Ansatz genutzt werden kann, um strukturelle Details wie die Konnektivität des alveolären Kapillarnetzes mit dem Gefäßbaum anhand von Blutflussindizes zu untersuchen. Es ist wichtig zu betonen, dass wir uns bislang auf verschiedene Datenquellen stützten und dass für weitere Fortschritte eine experimentelle Vailidierung erforderlich ist. Die Integration unserer Ergebnisse in Alvin ermöglichte die Quantifizierung des simulierten Gasaustauschprozesses über die Sauerstoffdiffusionskapazität und die Reaktionshalbzeit. Neben der Bewertung der kollektiven Einflüsse der morphologischen und physiologischen Eigenschaften erleichterte unsere interaktive Software auch die Bewertung einzelner Parameteränderungen. Die Betrachtung des Blutvolumens und der für den Gasaustausch zur Verfügung stehenden Oberfläche ergab lineare Korrelationen mit der Diffusionskapazität. Die Blutflussgeschwindigkeit hatte einen positiven, nichtlinearen Effekt auf die Diffusionskapazität. Die Reaktionshalbzeit bestätigte, dass der Gasaustauschprozess in der Regel nicht diffusionslimitiert ist. Insgesamt lieferte unser Alveolenmodell einen Wert für die Diffusionskapazität, der in der Mitte der früheren physiologischen und morphologischen Schätzung lag. Daraus lässt sich schließen, dass Phänomene auf Alveolarebene zu 50% der Limitierung der Diffusionskapazität beitragen, die in vivo eintreten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser integrativer in silico Ansatz verschiedene strukturelle und funktionelle Einflüsse auf den alveolären Gasaustausch aufschlüsselt und damit die traditionelle Forschung in der Atemwegsforschung ergänzt. Zusätzlich zeigen wir seinen Nutzen in der Lehre oder bei der Interpretation veröffentlichter Daten auf. Um unser Verständnis zu verbessern, sollten künftige Arbeiten vorrangig darauf ausgerichtet sein, einen zusammenhängenden experimentellen Datensatz zu erhalten und ein geeignetes Viskositätsmodell für Blutflusssimulationen zu finden. / The lung plays a vital role by exchanging respiratory gases. At the core of this gas exchange is a simple yet crucial passive diffusion process occurring within the alveoli. These balloon-like structures, connected to the peripheral airways, are surrounded by a dense network of small capillaries. Here, inhaled air comes into close proximity with deoxygenated blood coming from the heart, enabling the exchange of oxygen and carbon dioxide across their concentration gradients. The efficiency of gas exchange can be measured through indicators such as the diffusion capacity of the lung for oxygen and the reaction half-time. A notable discrepancy exists in humans between physiological estimates of diffusion capacity and the theoretical maximum capacity under optimal structural conditions (morphological estimate). This discrepancy is influenced by a range of interrelated factors, including structural elements like the surface area and thickness of the diffusion barrier, as well as physiological factors such as blood flow dynamics. To unravel the different roles of these factors, we investigated how morphological and physiological properties of the human alveolar micro-environment collectively and individually influence the process of gas exchange. To this end, we developed an integrative in silico approach combining 3D morphological modeling and simulation of blood flow and of oxygen transport. At the core of our approach lies the simulation software Alvin, serving as an interactive platform for the underlying mathematical model of oxygen transport within the alveolus. Developed by integrating and expanding existing mathematical models, our spatio-temporal model produces results in agreement with experimental data. Alvin allows for real-time parameter adjustments and the execution of multiple simultaneous simulation instances and provides detailed quantitative feedback, offering an immersive exploration of the simulated gas exchange process. The morphological and physiological parameters at play were further investigated with a focus on the microvasculature. By compiling a stereological database from the literature and 3D geometric modeling, we created a sheet-flow model as a realistic representation of the morphology of the human alveolar capillary network. Blood flow was simulated using computational fluid dynamics. Our findings were in line with previous estimations and highlighted the crucial role of viscosity models in predicting pressure drop across the microvasculature. Furthermore, we showcased how our approach can be harnessed to explore structural details, such as the connectivity of the alveolar capillary network with the vascular tree, using blood flow indices. It is important to emphasize that so far we have relied on different data sources and that experimental validation is needed to move forward. Integration of our findings into Alvin allowed quantification of the simulated gas exchange process through the diffusion capacity for oxygen and reaction half-time. In addition to evaluating the collective influences of the morphological and physiological properties, our interactive software facilitates the assessment of individual parameter value changes. Exploring blood volume and surface area available for gas exchange revealed linear correlations with diffusion capacity. The blood flow velocity had a positive, non-linear effect on diffusion capacity. The reaction half-time confirmed that under normal conditions, the gas exchange process is not diffusion-limited. Collectively, our alveolar model yielded a diffusion capacity value that fell in the middle of previous physiological and morphological estimates, implying that alveolar-level phenomena contribute to 50% of the diffusion capacity limitations that occur in vivo. In summary, our integrative in silico approach disentangles various structural and functional influences on alveolar gas exchange, complementing traditional investigations in respiratory research. We further showcase its utility in teaching and the interpretation of published data. To advance our understanding, future work should prioritize obtaining a cohesive experimental data set and identifying an appropriate viscosity model for blood flow simulations.

Adaptation to alterations in nutrient availability ensures the survival of organisms. In vertebrates, adipocytes play a decisive role in this process due to their ability to store large amounts of excess nutrients and release them in times of food deprivation. In todays western world, a rather unlimited excess of nutrients leads to high-caloric food consumption in humans. Nutrient overload together with a decreased energy dissipation result in obesity as well as associated diseases such as insulin resistance, diabetes, and liver steatosis. Obesity causes a hormonal imbalance, which in combination with altered nutrient levels can aberrantly activate G-protein coupled receptors utilizing diacylglycerol (DAG) as secondary messenger. Protein kinase D (PKD) 1 is a DAG effector integrating multiple hormonal and nutritional inputs. Nevertheless, its physiological role in adipocytes has not been investigated so far. In this thesis, evidence is provided that the deletion of PKD1 in adipocytes suppresses lipogenesis as well as the accumulation of triglycerides. Furthermore, PKD1 depletion results in increased mitochondrial biogenesis as well as decoupling activity. Moreover, PKD1 deletion promotes the expression of the β3-adrenergic receptor (ADRB3) in a CCAAT/enhancer-binding protein (C/EBP)-α and δ-dependent manner. This results in elevated expression levels of beige markers in adipocytes in the presence of a β-agonist. Contrarily, adipocytes expressing a constitutive active form of PKD1 present a reversed phenotype. Additionally, PKD1 regulates adipocyte metabolism in an AMP-activated protein kinase (AMPK)-dependent manner by suppressing its activity through phosphorylation of AMPK α1/α2 subunits. Thus, PKD1 deletion results in an enhanced activity of the AMPK complex. Consistent with the in vitro findings, mice lacking PKD1 in adipocytes demonstrate a resistance to high-fat diet-induced obesity due to an elevated energy expenditure caused by trans-differentiation of white into beige adipocytes. Moreover, deletion of PKD1 in murine adipocytes improves systemic insulin sensitivity and ameliorates liver steatosis. Finally, PKD1 levels positively correlate with HOMA-IR as well as insulin levels in human subjects. Furthermore, inhibition of PKD1 in human adipocytes leads to metabolic alterations, which are comparable to the alterations seen in their murine counterparts. Taken together, these data demonstrate that PKD1 suppresses energy dissipation, drives lipogenesis, and adiposity. Therefore, increased energy dissipation induced by several complementary mechanisms upon PKD1 deletion might represent an attractive strategy to treat obesity and its related complications. / Die Anpassung an veränderte Nährstoffverfügbarkeiten sichert das Überleben eines jeden Organismus. Dabei spielen in Vertebraten vorallem Adipozyten eine entscheidende Rolle. Sie haben die Fähigkeit, große Mengen überschüssiger Nährstoffe zu speichern und diese in Zeiten des Mangels wieder freizusetzen. Heutzutage herrscht jedoch besonders in Industrieländern ein ausreichendes Angebot an Nahrungsmitteln, was zu einer übermäßigen Kalorienzufuhr einzelner Individuen führt. Durch überschüssige Energiezufuhr in Verbindung mit einem verringerten Energieverbrauch kommt es zu Fettleibigkeit und damit verbundenen Erkrankungen wie Insulinresistenz, Diabetes und nichtalkoholischer Fettleber. Übergewicht führt zu einem hormonellen Ungleichgewicht, das im Zusammenhang mit veränderten Nährstoffgehalten, unter Verwendung von Diacylglycerol (DAG) als sekundären Botenstoff, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren unkontrollierten aktiviert. Protein Kinase D (PKD) 1 ist ein DAG Effektor, der an unterschiedlichsten hormonellen und ernährungsphysiologischen Vorgängen beteiligt ist. Die zugrunde liegende physiologische Rolle von PKD1 in Adipozyten ist jedoch weitgehend unverstanden. In dieser Doktorarbeit wird gezeigt, dass eine Adipozyten spezifische PKD1 Defizienz sowohl Lipogenese als auch die Akkumulation von Triglyceriden unterdrückt. Darüber hinaus wird durch die Deletion von PKD1 sowohl der Mitochondriengehalt als auch die Dynamik erhöht und die Entkopplungsaktivität gesteigert. Zudem wird die Expression des β3-adrenergen Rezeptors (ADRB3) durch die PKD1 Defizienz in einer CCAAT/Enhancer-Bindungsprotein (C/EBP) -α und δ-abhängigen Weise gefördert. In Gegenwart eines β-Agonisten kommt es dadurch zu einer erhöhten Expression von Genen, die auf beige Fettzellen hindeuten. Im Gegensatz dazu weisen Adipozyten, die eine konstitutiv aktive Form von PKD1 exprimieren, einen umgekehrten Phänotyp auf. Zusätzlich reguliert PKD1 den Adipozytenmetabolismus abhängig von AMP-aktivierter Proteinkinase (AMPK). PKD1 unterdrückt die AMPK-Aktivität durch Phosphorylierung von AMPK-α1/α2-Untereinheiten. Daher steigert die PKD1-Deletion die Tätigkeit des AMPK-Komplexes. In Übereinstimmung mit den In-vitro-Daten zeigen Mäuse, denen PKD1 in Adipozyten fehlt, eine Resistenz gegen nahrungsinduzierte Fettleibigkeit. Dies lässt sich durch eine gesteigerte Transdifferenzierung von weißen zu beigen Fettzellen erklären, die einen erhöhten Energieumsatz aufweisen. Weiterhin verbessert die Deletion von PKD1 in Adipozyten der Maus die systemische Insulinsensitivität und schützt vor einer Lebersteatose. In humanen Fettzellen zeigen sich ähnliche Veränderungen im Metabolismus, wie bereits in den Adipozyten der Maus beobachtet wurden. Des Weiteren korreliert die Expression von PKD1 in humanem Fettgewebe positiv mit HOMA-IR, einem Marker für Insulin-Resistenz sowie den Insulinwerten beim Menschen. Zusammengefasst weisen die Daten dieser Thesis auf, dass PKD1 den Energieverbrauch unterdrückt und sowohl Lipogenese als auch Adipositas fördert. Adipozyten, denen PKD1 fehlt, zeigen demnach einen erhöhten Energieumsatz, der durch unterschiedliche komplementäre Mechanismen verursacht wird. Dadurch könnte sich eine attraktive Strategie zur Behandlung von Fettleibigkeit und den damit verbundenen Komplikationen ergeben.

Platelets are continuously produced from megakaryocytes (MK) in the bone marrow by a cytoskeleton-driven process of which the molecular regulation is not fully understood. As revealed in this thesis, MK/ platelet-specific Profilin1 (Pfn1) deficiency results in micro- thrombocytopenia, a hallmark of the Wiskott-Aldrich syndrome (WAS) in humans, due to accelerated platelet turnover and premature platelet release into the bone marrow. Both Pfn1-deficient mouse platelets and platelets isolated from WAS patients contained abnormally organized and hyper-stable microtubules. These results reveal an unexpected function of Pfn1 as a regulator of microtubule organization and point to a previously unrecognized mechanism underlying the platelet formation defect in WAS patients. In contrast, Twinfilin2a (Twf2a) was established as a central regulator of platelet reactivity and turnover. Twf2a-deficient mice revealed an age-dependent macrothrombocytopenia that could be explained by a markedly decreased platelet half-life, likely due to the pronounced hyper-reactivity of \(Twf2a^{-/-}\) platelets. The latter was characterized by sustained integrin acti- vation and thrombin generation in vitro that translated into accelerated thrombus formation in vivo. To further elucidate mechanisms of integrin activation, Rap1-GTP-interacting adaptor molecule (RIAM)-null mice were generated. Despite the proposed critical role of RIAM for platelet integrin activation, no alterations in this process could be found and it was concluded that RIAM is dispensable for the activation of β1 and β3 integrins, at least in platelets. These findings change the current mechanistic understanding of platelet integrin activation. Outside-in signaling by integrins and other surface receptors was supposed to regulate MK migration, but also the temporal and spatial formation of proplatelet protrusions. In this the- sis, phospholipase D (PLD) was revealed as critical regulator of actin dynamics and podo- some formation in MKs. Hence, the unaltered platelet counts and production in \(Pld1/2^{-/-}\) mice and the absence of a premature platelet release in the bone marrow of \(Itga2^{-/-}\) mice question the role of podosomes in platelet production and raise the need to reconsider the proposed inhibitory signaling by α2β1 integrins on proplatelet formation. Non-muscle myosin IIA (NMMIIA) has been implicated as a downstream effector of the in- hibitory signals transmitted via α2β1 integrins. Besides Rho-GTPase signaling, also \(Mg^{2+}\) and transient receptor potential melastatin-like 7 (TRPM7) channel α-kinase are known regulators of NMMIIA activity. In this thesis, TRPM7 was identified as major regulator of \(Mg^{2+}\) homeostasis in MKs and platelets. Furthermore, decreased \([Mg^{2+}]_i\) led to deregulated NMMIIA activity and altered cytoskeletal dynamics that impaired thrombopoiesis and resulted in macrothrombocytopenia in humans and mice. / Thrombozyten werden kontinuierlich durch einen Zytoskelett-getriebenen Prozess von Megakaryozyten (MK) im Knochenmark gebildet. Die zugrunde liegenden molekularen Me- chanismen sind jedoch weitestgehend unverstanden. In dieser Thesis konnte gezeigt werden, dass eine MK/ Thrombozyten-spezifische Profilin1 (Pfn1) Defizienz eine Mikrothrombozytopenie verursacht, die das Hauptmerkmal des Wiskott- Aldrich Syndroms (WAS) im Menschen ist. Die reduzierte Thrombozytenzahl konnte auf eine beschleunigte Entfernung der Thrombozyten aus der Zirkulation sowie deren vorzeitige Freisetzung im Knochenmark zurückgeführt werden. Sowohl Thrombozyten von Pfn1- defizienten Mäusen, als auch von Patienten mit WAS wiesen abnormal organisierte und hyper-stabile Mikrotubuli auf. Die im Rahmen dieser Thesis gewonnenen Ergebnisse zeigen eine unerwartete Funktion von Pfn1 als Regulator der Mikrotubuliorganisation und weisen auf einen bisher nicht erkannten Mechanismus hin, welcher dem Thrombozytenproduktionsde- fekt in Patienten mit WAS zugrunde liegt. Im Gegensatz hierzu konnte Twinfilin2a (Twf2a) als zentraler Regulator der Thrombozyten- reaktivität und Lebenspanne etabliert werden. Mäuse mit einer Twf2a Defizienz zeigten eine progressive Makrothrombozytopenie, die durch eine stark reduzierte Lebenspanne der Thrombozyten erklärt werden konnte. Letzteres war höchstwahrscheinlich durch eine erhöhte Empfindlichkeit von Twf2a-defizienten Thrombozyten gegenüber von aktivierenden Stimuli bedingt. Die Hyperreaktivität von Twf2a-defizienten Thrombozyten zeigte sich durch eine verlängerte Aktivierung der Integrine und erhöhter Thrombingenerierung in vitro sowie be- schleunigter Thrombusbildung in vivo. Um die Mechanismen der Integrinaktivierung besser zu charakterisieren, wurden Rap1-GTP- interacting adaptor molecule (RIAM)-null Mäuse generiert. Obwohl RIAM eine zentrale Rolle in der thrombozytären Integrinaktivierung zugeschriebenen wurde, konnten keine Defekte in diesem Prozess in RIAM-null Thrombozyten identifiziert werden. Dies führte zu der Schluss- folgerung, dass RIAM für die Aktivierung von β1 und β3 Integrinen in Thrombozyten nicht benötigt wird. Diese Erkenntnisse verändern das gegenwärtige mechanistische Verständnis der Integrinaktivierung in Thrombozyten. Die outside-in Signalgebung durch Integrine und andere Oberflächenrezeptoren reguliert die Migration sowie die zeitliche und räumliche Bildung von proplatelets durch MKs. In dieser Thesis konnte gezeigt werden, dass Phospholipase D (PLD) ein zentraler Regulator der Aktindynamik und Podosomenbildung in MKs ist. Die normale Thrombozytenzahl und -Produktion in \(Pld1/2^{-/-}\) Mäusen sowie die fehlende vorzeitige Freisetzung von Thrombozytenim Knochenmark von \(Itga2^{-/-}\) Mäusen, stellen die Funktion von Podosomen in der Throm- bozytenproduktion in Frage. Ferner zeigen diese Ergebnisse, dass die Rolle der inhibitori- schen Signalgebung durch α2β1 Integrine in der proplatelet-Bildung noch einmal überdacht werden muss. Non-muscle myosin IIA (NMMIIA) wird als Effektorprotein im α2β1 Integrinsignalweg ange- sehen. Neben Signalen, die durch Rho-GTPasen vermittelt werden, regulieren auch \(Mg^{2+}\) und die α-Kinase des transient receptor potential melastatin-like 7 (TRPM7) Kanals die Akti- vität von NMMIIA. Im Rahmen dieser Thesis wurde TRPM7 als Hauptregulator der \(Mg^{2+}\) Homöostase in MKs und Thrombozyten identifiziert. Darüber hinaus führten erniedrigte intra- zelluläre \(Mg^{2+}\) Konzentrationen zu einer veränderten NMMIIA Aktivität und Zytoskelettdyna- mik. Diese Defekte beeinträchtigten die Thrombopoese und verursachten eine Makrothrom- bozytopenie im Menschen und der Maus.

During my PhD I studied two principal biological aspects employing Drosophila melanogaster. Therefore, this study is divided into Part I and II. Part I: Bruchpilot and Complexin interact to regulate synaptic vesicle tethering to the active zone cytomatrix At the presynaptic active zone (AZ) synaptic vesicles (SVs) are often physically linked to an electron-dense cytomatrix – a process referred to as “SV tethering”. This process serves to concentrate SVs in close proximity to their release sites before contacting the SNARE complex for subsequent fusion (Hallermann and Silver, 2013). In Drosophila, the AZ protein Bruchpilot (BRP) is part of the proteinous cytomatrix at which SVs accumulate (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Intriguingly, truncation of only 1% of the C-terminal region of BRP results in a severe defect in SV tethering to this AZ scaffold (hence named brpnude; Hallermann et al., 2010b). Consistent with these findings, cell-specific overexpression of a C-terminal BRP fragment, named mBRPC-tip (corresponds to 1% absent in brpnude; m = mobile) phenocopied the brpnude mutant in behavioral and functional experiments. These data indicate that mBRPC-tip suffices to saturate putative SV binding sites, which induced a functional tethering deficit at motoneuronal AZs. However, the molecular identity of the BRP complement to tether SVs to the presynaptic AZ scaffold remains unknown. Moreover, within larval motoneurons membrane-attached C-terminal portions of BRP were sufficient to tether SVs to sites outside of the AZ. Based on this finding a genetic screen was designed to identify BRP interactors in vivo. This screen identified Complexin (CPX), which is known to inhibit spontaneous SV fusion and to enhance stimulus evoked SV release (Huntwork and Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). However, so far CPX has not been associated with a function upstream of priming/docking and release of SVs. This work provides morphological and functional evidence, which suggests that CPX promotes recruitment of SVs to the AZ and thereby curtails synaptic short-term depression. Together, the presented findings indicate a functional interaction between BRP and CPX at Drosophila AZs. Part II: The Adhesion-GPCR Latrophilin/CIRL shapes mechanosensation The calcium independent receptor of α-latrotoxin (CIRL), also named Latrophilin, represents a prototypic Adhesion class G-protein coupled-receptor (aGPCR). Initially, Latrophilin was identified based on its capacity to bind the α-component of latrotoxin (α-LTX; Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), which triggers massive exocytotic activity from neurons of the peripheral nervous system (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). As a result Latrophilin is considered to play a role in synaptic transmission. Later on, Latrophilins have been associated with other biological processes including tissue polarity (Langenhan et al., 2009), fertility (Prömel et al., 2012) and synaptogenesis (Silva et al., 2011). However, thus far its subcellular localization and the identity of endogenous ligands, two aspects crucial for the comprehension of Latrophilin’s in vivo function, remain enigmatic. Drosophila contains only one latrophilin homolog, named dCirl, whose function has not been investigated thus far. This study demonstrates abundant dCirl expression throughout the nervous system of Drosophila larvae. dCirlKO animals are viable and display no defects in development and neuronal differentiation. However, dCirl appears to influence the dimension of the postsynaptic sub-synaptic reticulum (SSR), which was accompanied by an increase in the postsynaptic Discs-large abundance (DLG). In contrast, morphological and functional properties of presynaptic motoneurons were not compromised by the removal of dCirl. Instead, dCirl is required for the perception of mechanical challenges (acoustic-, tactile- and proprioceptive stimuli) through specialized mechanosensory devices, chordotonal organs (Eberl, 1999). The data indicate that dCirl modulates the sensitivity of chordotonal neurons towards mechanical stimulation and thereby adjusts their input-output relation. Genetic interaction analyses suggest that adaption of the molecular mechanotransduction machinery by dCirl may underlie this process. Together, these results uncover an unexpected function of Latrophilin/dCIRL in mechanosensation and imply general modulatory roles of aGPCR in mechanoception. / In dieser These wurden zwei grundlegende biologische Aspekte mittels Drosophila melanogaster untersucht, weshalb diese in zwei Teile gegliedert ist. TeiL I: Die Interaktion von Bruchpilot und Complexin vermittelt die Anbindung von synaptischen Vesikeln an die Zytomatrix der aktiven Zone Oft findet man an aktiven Zonen (AZ) von Präsynapsen elektronendichte Matrices, welche meist in physischem Kontakt mit synaptischen Vesikeln (SV) stehen. Dieser als „SV Tethering“ bezeichnete Prozess dient der Anreicherung SV in der unmittelbaren Nähe ihrer Freisetzungszonen, noch bevor diese mit dem SNARE Komplex interagieren, um mit der präsynapti-schen Plasmamembran zu fusionieren (Hallermann und Silver, 2013). In der Taufliege Drosophila melanogaster bildet das AZ Protein Bruchpilot (BRP) Protrusionen, um welche SV akkumulieren (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Interessan-terweise resultiert bereits eine minimale Verkürzung von BRP (1% der Gesamtlänge) am C-terminalen Ende in einem schwerwiegenden Anbindedefekt von SV, der mit einem Funkti-onsverlust dieser Synapsen einhergeht (brpnude; Hallermann et al., 2010b). Entsprechend diesem Vorbefund resultierte die gewebespezifische Überexpression eines C-terminalen BRP Fragments - mBRPC-tip (entspricht dem fehlenden Fragment der brpnude Mu-tante; m = mobil) - sowohl in Verhaltens- als auch funktionellen Analysen in einer Phänoko-pie der brpnude Mutante. Dies deutet daraufhin, dass mBRPC-tip vermeintliche vesikuläre Interaktionspartner blockiert und so die Anreicherung von SV an motoneuronalen AZ verhindert, was ähnlich wie in brpnude Mutanten zu einem funktionellen Tethering-Defekt führt. Die molekulare Identität eines BRP Partners zur Anreicherung von SV an der Zytomatrix der AZ wurde bisher nicht beschrieben. Weiterhin zeigt diese Arbeit, dass membrangebundene C-terminale BRP Anteile genügen, um SV an Positionen außerhalb von AZ zu binden. Basierend auf diesem Befund wurde ein gene-tischer in vivo Screen zur Identifikation von BRP Interaktoren entwickelt. Dieser Screen identifizierte Complexin (CPX), ein Protein, dessen hemmende beziehungsweise fördernde Wirkung auf die spontane und reizinduzierte Vesikelfusion bekannt ist (Huntwork und Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). CPX wurde bisher nicht mit einer Funktion ober-halb von Vesikelpriming und -fusion in Verbindung gebracht. Diese Studie dokumentiert strukturelle und funktionelle Hinweise, die darauf hindeuten, dass CPX mit BRP interagiert, um Vesikelakkumulation an AZ zu fördern und dadurch synaptischer Kurzzeit-Depression entgegen zu wirken. Teil II: Adhäsions-GPCR Latrophilin/CIRL moduliert die Wahrnehmung mechanischer Reize Der Kalzium-unabhängige Rezeptor für α-Latrotoxin (CIRL), oder Latrophilin, ist ein prototypischer Rezeptor der Adhäsions G-Protein gekoppelten Klasse (aGPCR). Identifiziert wurde Latrophilin ursprünglich aufgrund seiner Fähigkeit die α-Komponente von Latrotoxin (α-LTX) zu binden (Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), welches seine Wirkung am peripheren Nervensystem entfaltet und dort übermäßige Transmitterausschüttung an neuronalen Endigungen induziert (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). Basierend auf diesem Effekt wurde Latrophilin eine Rolle bei der synaptischen Transmission zugesprochen. Später wurden Latrophiline mit weiteren biologischen Prozessen in Zusammenhang gebracht, darunter Gewebepolarität (Langenhan et al., 2009), Fertilität (Prömel et al., 2012) und Synaptogenese (Silva et al., 2011). Allerdings blieb sowohl die subzelluläre Lokalisation als auch die Identität endogener Liganden, zwei Schlüsselaspekte im Verständnis der in vivo Funktion von Latrophilinen bisher rätselhaft. Drosophila besitzt lediglich ein latrophilin Homolog, dCirl, dessen Funktion bisher nicht untersucht wurde. Diese Arbeit zeigt, dass dCirl in weiten Teilen des larvalen Nervensystems von Drosophila exprimiert ist. dCirl knock-out Mutanten sind lebensfähig und weisen keine Störungen in der Entwicklung und neuronalen Differenzierung auf. Allerdings schien dCirl Einfluss auf die Ausdehnung des postsynaptischen subsynaptischen Retikulums (SSR) zu nehmen, was mit einer erhöhten Menge an Discs-large (DLG) assoziiert war. Die morphologischen und funktionellen Eigenschaften präsynaptischer Motoneurone der Fliegenlarve hingegen, waren durch den Verlust von dCirl funktionell weitestgehend unbeeinträchtigt. Vielmehr ist dCirl notwendig für die Wahrnehmung mechanischer Reize (akustische-, taktile und propriozeptive) durch spezialisierte Vorrichtungen - Chordotonalorgane (Eberl, 1999). Die Befunde deuten daraufhin, dass dCirl die Sensitivität der Chordotonalneurone gegenüber mechanischen Reizen moduliert und dadurch das Input-Output Verhältnis einstellt. Adaptation der molekularen Mechanotransduktionsmaschinerie durch dCirl könnte die molekulare Grundlage für diesen Prozess darstellen, eine Hypothese die durch genetische Interaktionsanalysen gestützt wird. Schlussfolglich enthüllen die experimentellen Befunde dieser These eine unerwartete Funktion von Latrophilin/dCirl bei der Mechanoperzeption und implizieren eine generelle modula-torische Rolle für aGPCR bei der Wahrnehmung mechanischer Reize.