Universiẗat, Diss., 2004--Münster (Westfalen).

Almost all life forms on earth have adapted to the most impactful and most predictable recurring change in environmental condition, the cycle of day and night, caused by the axial rotation of the planet. As a result many animals have evolved intricate endogenous clocks, which adapt and synchronize the organisms’ physiology, metabolism and behaviour to the daily change in environmental conditions. The scientific field researching these endogenous clocks is called chronobiology and has steadily grown in size, scope and relevance since the works of the earliest pioneers in the 1960s. The number one model organism for the research of circadian clocks is the fruit fly, Drosophila melanogaster, whose clock serves as the entry point to understanding the basic inner workings of such an intricately constructed endogenous timekeeping system. In this thesis it was attempted to combine the research on the circadian clock with the techniques of optogenetics, a fairly new scientific field, launched by the discovery of Channelrhodopsin 2 just over 15 years ago. Channelrhodopsin 2 is a light-gated ion channel found in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. In optogenetics, researches use these light-gated ion channels like Channelrhodopsin 2 by heterologously expressing them in cells and tissues of other organisms, which can then be stimulated by the application of light. This is most useful when studying neurons, as these channels provide an almost non-invasive tool to depolarize the neuronal plasma membranes at will. The goal of this thesis was to develop an optogenetic tool, which would be able to influence and phase shift the circadian clock of Drosophila melanogaster upon illumination. A phase shift is the adaptive response of the circadian clock to an outside stimulus that signals a change in the environmental light cycle. An optogenetic tool, able to influence and phase shift the circadian clock predictably and reliably, would open up many new ways and methods of researching the neuronal network of the clock and which neurons communicate to what extent, ultimately synchronizing the network. The first optogenetic tool to be tested in the circadian clock of Drosophila melanogaster was ChR2-XXL, a channelrhodopsin variant with dramatically increased expression levels and photocurrents combined with a prolonged open state. The specific expression of ChR2-XXL and of later constructs was facilitated by deploying the three different clock-specific GAL4-driver lines, clk856-gal4, pdf-gal4 and mai179-gal4. Although ChR2-XXL was shown to be highly effective at depolarizing neurons, these stimulations proved to be unable to significantly phase shift the circadian clock of Drosophila. The second series of experiments was conducted with the conceptually novel optogenetic tools Olf-bPAC and SthK-bPAC, which respectively combine a cyclic nucleotide-gated ion channel (Olf and SthK) with the light-activated adenylyl-cyclase bPAC. These tools proved to be quite useful when expressed in the motor neurons of instar-3 larvae of Drosophila, paralyzing the larvae upon illumination, as well as affecting body length. This way, these new tools could be precisely characterized, spawning a successfully published research paper, centered around their electrophysiological characterization and their applicability in model organisms like Drosophila. In the circadian clock however, these tools caused substantial damage, producing severe arrhythmicity and anomalies in neuronal development. Using a temperature-sensitive GAL80-line to delay the expression until after the flies had eclosed, yielded no positive results either. The last series of experiments saw the use of another new series of optogenetic tools, modelled after the Olf-bPAC, with bPAC swapped out for CyclOp, a membrane-bound guanylyl-cyclase, coupled with less potent versions of the Olf. This final attempt however also ended up being unsuccessful. While these tools could efficiently depolarize neuronal membranes upon illumination, they were ultimately unable to stimulate the circadian clock in way that would cause it to phase shift. Taken together, these mostly negative results indicate that an optogenetic manipulation of the circadian clock of Drosophila melanogaster is an extremely challenging subject. As light already constitutes the most impactful environmental factor on the circadian clock, the combination of chronobiology with optogenetics demands the parameters of the conducted experiments to be tuned with an extremely high degree of precision, if one hopes to receive positive results from these types of experiments at all. / Nahezu alle Lebewesen der Erde haben sich an den Tag-Nacht-Zyklus angepasst, die einflussreichste und verlässlichste wiederkehrende Veränderung der Umwelt-bedingungen, verursacht durch die axiale Rotation des Planeten. Daraus resultierend haben viele Tiere komplizierte innere Uhren entwickelt, welche ihre Physiologie, ihren Stoffwechsel und ihr Verhalten an die tägliche Veränderung der natürlichen Bedingungen anpassen. Das Wissenschaftsfeld, das sich der Erforschung dieser inneren Uhren widmet, wird Chronobiologie genannt und hat seit der Arbeit der ersten Pioniere ab 1960 stetig an Größe und Relevanz gewonnen. Der prominenteste Modellorganismus für die Erforschung der circadianen Uhr ist Drosophila melanogaster, deren Uhr als Ansatzpunkt dient, die grundlegenden Vorgänge eines derart komplexen, endogenen Taktsystems zu verstehen. In dieser Thesis wurde versucht die Forschung an der circadianen Uhr mit den Techniken der Optogenetik zu kombinieren, eines jungen Forschungsfeldes, welches durch die Entdeckung von Channelrhodpsin 2 vor über 15 Jahren eröffnet wurde. Channelrhodopsin 2 ist ein Licht-gesteuerter Ionenkanal, der in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii entdeckt wurde. In der Optogenetik nutzen Forscher diese Licht-gesteuerten Ionenkanäle, indem sie sie in den Zellen anderer Organismen exprimieren, welche dann durch Licht stimuliert werden können. Dies ist besonders nützlich bei der Untersuchung von Neuronen, da diese Kanäle ein nahezu nicht-invasives Werkzeug zur Depolarisation neuronaler Membranen bieten. Das Ziel dieser Thesis war es, ein optogenetisches Werkzeug zu entwickeln, welches die circadiane Uhr von Drosophila melanogaster durch Licht manipulieren und deren Phase verschieben kann. Eine Phasenverschiebung ist die adaptive Antwort der circadianen Uhr auf einen äußeren Reiz, welcher eine Veränderung des natürlichen Lichtzyklus signalisiert. Ein optogenetisches Werkzeug, das die Phase der inneren Uhr verlässlich verschieben kann, würde viele neue Möglichkeiten zur Erforschung des neuronalen Uhrnetzwerks eröffnen und wie die Neuronen miteinander kommunizieren um das Netzwerk zu synchronisieren. Das erste optogenetische Werkzeug das in der circadianen Uhr von Drosophila melanogaster getestet wurde war „ChR2-XXL“, eine Channelrhodopsin-Variante mit erhöhter Expression und Photoströmen, gepaart mit einem verlängerten geöffneten Zustand. Die spezifische Expression von ChR2-XXL und auch die späterer Konstrukte wurde durch die Verwendung der drei Uhr-spezifischen GAL4-Treiberlinien clk856-gal4, pdf-gal4 und mai179-gal4 bewerkstelligt. Obwohl bereits gezeigt wurde, dass ChR2-XXL höchst effektiv die Depolarisierung von Neuronen bewirkt, waren diese Stimulationen jedoch nicht in der Lage die Phase der circadianen Uhr von Drosophila signifikant zu verschieben. Die zweite Serie an Versuchen wurde mit den konzeptionell neuartigen optogenetischen Werkzeugen Olf-bPAC und SthK-bPAC durchgeführt, welche jeweils einen durch zyklische Nukleotide gesteuerten Ionenkanal (Olf und SthK) mit der Licht-gesteuerten Adenylatcyclase bPAC kombinieren. Diese Werkzeuge erwiesen sich als äußert nützlich, solange sie in den Motoneuronen von Drosophila-Larven im dritten Larvenstadium exprimiert wurden, wo sie bei Beleuchtung die Larven sowohl paralysierten, als auch deren Körperlänge beeinflussten. Auf diese Weise konnten diese neuen Werkzeuge präzise charakterisiert werden, was in der erfolgreichen Veröffentlichung eines Forschungsartikels mündete, welcher hauptsächlich von der elektrophysiologischen Charakterisierung der Werkzeuge handelte und von deren Anwendungsmöglichkeiten in Modellorganismen wie Drosophila. In der circadianen Uhr verursachten diese Werkzeuge jedoch substantielle Schäden und produzierten schwere Arrhythmie und Anomalien in der neuronalen Entwicklung. Die Verwendung einer temperatur-sensitiven GAL80-Linie um die Expression zu verzögern, erzeugte ebenfalls keinerlei positive Ergebnisse. Für die letzte Serie an Experimenten wurde eine weitere Reihe neuer optogenetischer Werkzeuge verwendet, orientiert an Olf-bPAC und SthK-bPAC, wobei bPAC durch die membrangebundene Guanylatcyclase „CyclOp“ ausgetauscht wurde, welche wiederrum mit weniger wirkstarken Olf-Varianten kombiniert wurde. Dieser letzte Ansatz scheiterte jedoch ebenfalls. Obwohl diese neuen Werkzeuge in der Lage waren die Neuronenmembran bei Beleuchtung effektiv zu depolarisieren, vermochten sie es letztendlich nicht eine Phasenverschiebung zu bewirken. Zusammengenommen zeigen diese überwiegend negativen Ergebnisse, dass die optogenetische Manipulation der circadianen Uhr von Drosophila melanogaster ein extrem anspruchsvolles Thema ist. Da Licht bereits ohnehin den einflussreichsten Umweltfaktor für die circadiane Uhr darstellt, verlangt die Kombination von Chronobiologie und Optogenetik eine extrem präzise Feinabstimmung der Versuchsparameter, um überhaupt darauf hoffen zu dürfen, positive Ergebnisse mit derlei Versuchen zu erzeugen.

To grow larger, insects must shed their old rigid exoskeleton and replace it with a new one. This process is called molting and the motor behavior that sheds the old cuticle is called ecdysis. Holometabolic insects have pupal stages in between their larval and adult forms, during which they perform metamorphosis. The pupal stage ends with eclosion, i.e., the emergence of the adult from the pupal shell. Insects typically eclose at a specific time during the day, likely when abiotic conditions are at their optimum. A newly eclosed insect is fragile and needs time to harden its exoskeleton. Hence, eclosion is regulated by sophisticated developmental and circadian timing mechanisms. In Drosophila melanogaster, eclosion is limited to a daily time window in the morning, regarded as the “eclosion gate”. In a population of laboratory flies entrained by light/dark cycles, most of the flies eclose around lights on. This rhythmic eclosion pattern is controlled by the circadian clock and persists even under constant conditions. Developmental timing is under the control of complex hormonal signaling, including the steroid ecdysone, insulin-like peptides, and prothoracicotropic hormone (PTTH). The interactions of the central circadian clock in the brain and a peripheral clock in the prothoracic gland (PG) that produces ecdysone are important for the circadian timing of eclosion. These two clocks are connected by a bilateral pair of peptidergic PTTH neurons (PTTHn) that project to the PG. Before each molt, the ecdysone level rises and then falls shortly before ecdysis. The falling ecdysone level must fall below a certain threshold value for the eclosion gate to open. The activity of PTTHn is inhibited by short neuropeptide F (sNPF) from the small ventrolateral neurons (sLNvs) and inhibition is thought to lead to a decrease in ecdysone production. The general aim of this thesis is to further the understanding of how the circadian clock and neuroendocrinal pathways are coordinated to drive eclosion rhythmicity and to identify when these endocrinal signaling pathways are active. In Chapter I, a series of conditional PTTHn silencing-based behavioral assays, combined with neuronal activity imaging techniques such as non-invasive ARG-Luc show that PTTH signaling is active and required shortly before eclosion and may serve to phase-adjust the activity of the PG at the end of pupal development. Trans-synaptic anatomical stainings identified the sLNvs, dorsal neurons 1 (DN1), dorsal neurons 2 (DN2), and lateral posterior neurons (LPNs) clock neurons as directly upstream of the PTTHn. Eclosion motor behavior is initiated by Ecdysis triggering hormone (ETH) which activates a pair of ventromedial (Vm) neurons to release eclosion hormone (EH) which positively feeds back to the source of ETH, the endocrine Inka cells. In Chapter II trans-synaptic tracing showed that most clock neurons provide input to the Vm and non-canonical EH neurons. Hence, clock can potentially influence the ETH/EH feedback loop. The activity profile of the Inka cells and Vm neurons before eclosion is described. Vm and Inka cells are active around seven hours before eclosion. Interestingly, all EH neurons appear to be exclusively peptidergic. In Chapter III, using chemoconnectomics, PTTHns were found to express receptors for sNPF, allatostatin A (AstA), allatostatin C (AstC), and myosuppressin (Ms), while EH neurons expressed only Ms and AstA receptors. Eclosion assays of flies with impaired AstA, AstC, or Ms signaling do not show arrhythmicity under constant conditions. However, optogenetic activation of the AstA neurons strongly suppresses eclosion. Chapter IV focuses on peripheral ventral’ Tracheal dendrite (v’Td) and class IV dendritic arborization (C4da) neurons. The C4da neurons mediate larval light avoidance through endocrine PTTH signaling. The v’Td neurons mainly receive O2/CO2 input from the trachea and are upstream of Vm neurons but are not required for eclosion rhythmicity. Conditional ablation of the C4da neurons or torso (receptor of PTTH) knock-out in the C4da neurons impaired eclosion rhythmicity. Six to seven hours before eclosion, PTTHn, C4da, and Vm neurons are active based on ARG-Luc imaging. Thus, C4da neurons may indirectly connect the PTTHn to the Vm neurons. In summary, this thesis advances our knowledge of the temporal activity and role of PTTH signaling during pupal development and rhythmic eclosion. It further provides a comprehensive characterization of the synaptic and peptidergic inputs from clock neurons to PTTHn and EH neurons. AstA, AstC, and Ms are identified as potential modulators of eclosion circuits and suggest an indirect effect of PTTH signaling on EH signaling via the peripheral sensory C4da neurons. / Um zu wachsen, müssen Insekten ihr altes, starres Exoskelett abwerfen und durch ein neues ersetzen. Dieser Vorgang wird als Häutung bezeichnet, und das motorische Verhalten, bei dem die alte Kutikula abgestoßen wird, heißt Ekdysis. Holometabole Insekten haben zwischen ihrer Larven- und Erwachsenenform ein Puppenstadium, in welchem sie eine Metamorphose durchlaufen. Das Puppenstadium endet mit dem Schlüpfen des erwachsenen Tieres aus der Puppenhülle. Die Insekten schlüpfen in der Regel zu einem bestimmten Zeitpunkt am Tag, wenn die abiotischen Bedingungen optimal sind, da das frisch geschlüpfte Insekt zerbrechlich ist und Zeit braucht, um sein Exoskelett auszuhärten. Daher wird der Schlupf durch ausgeklügelte Mechanismen der Entwicklung und der inneren Uhr gesteuert. Bei Drosophila melanogaster ist der Sclupf auf ein tägliches Zeitfenster am Morgen beschränkt, das als "Schlupffenster" bezeichnet wird. In einer Population von Laborfliegen, die durch Licht/Dunkel-Zyklen gesteuert wird, schlüpfen die meisten Fliegen in etwa um das Einschalten der Beleuchtung. Dieses rhythmische Schlupfmuster wird von der inneren Uhr gesteuert und bleibt auch unter konstanten Bedingungen bestehen. Das Timing der Entwicklung wird von komplexen hormonellen Signalen gesteuert, darunter das Steroid Ecdyson, insulinähnliche Peptide und das prothorakotrope Hormon (PTTH). Die Wechselwirkungen zwischen der zentralen zirkadianen Uhr im Gehirn und einer peripheren Uhr in der Prothorakaldrüse (PG), die Ecdyson produziert, sind wichtig für die zirkadiane Zeitsteuerung des Schlupfs. Diese beiden Uhren sind durch ein bilaterales Paar peptiderger PTTH-Neuronen (PTTHn) verbunden, die in die PG projizieren. Vor jeder Häutung steigt der Ecdysonspiegel an und fällt dann kurz vor danach wieder ab. Der fallende Ecdysonspiegel muss einen bestimmten Schwellenwert unterschreiten, damit sich das Schlupffenster öffnen kann. Die Aktivität der PTTHn wird durch das kurze Neuropeptid F (sNPF) aus den kleinen ventrolateralen Neuronen (sLNvs) gehemmt, und es wird angenommen, dass die Hemmung zu einer Abnahme der Ecdysonproduktion führt. Das allgemeine Ziel dieser Thesis besteht darin, die Koordination zwischen der zirkadianen Uhr und den neuroendokrinen Signalwegen zur Steuerung der Eklosionsrhythmik weiter zu charakterisieren und zu ermitteln, wann diese endokrinen Signalwege aktiv sind. In Kapitel I zeigen eine Reihe von Verhaltenstests, die auf der konditionalen Ausschaltung von PTTHn basieren, in Kombination mit Techniken zur Darstellung neuronaler Aktivität, wie z. B. nicht-invasives ARG-Luc imaging, dass PTTH-Signale kurz vor dem Schlupf aktiv und erforderlich sind und zur Phasenanpassung der Aktivität der PG am Ende der Puppenentwicklung dienen könnten. Trans-synaptische anatomische Färbungen identifizierten die sLNvs, die dorsalen Neuronen 1 (DN1), die dorsalen Neuronen 2 (DN2) und die lateralen posterioren Neuronen (LPNs) als Uhrneuronen, die dem PTTHn direkt vorgeschaltet sind. Das motorische Schlupfverhalten wird durch das Ecdysis-auslösende Hormon (ETH) ausgelöst, das ein Paar ventromedialer (Vm) Neuronen zur Freisetzung des Eklosionshormons (EH) anregt, welches positiv an die Quelle des ETH, die endokrinen Inka-Zellen, zurückkoppelt. In Kapitel II zeigte die trans-synaptische Nachverfolgung, dass die meisten Uhrneuronen Input für die Vm- und nicht-kanonischen EH-Neuronen liefern, sodass die Uhr möglicherweise die ETH/EH-Rückkopplungsschleife beeinflussen kann. Das Aktivitätsprofil der Inka-Zellen und Vm-Neuronen vor dem Schlupf wird beschrieben. Vm- und Inka-Zellen sind etwa sieben Stunden vor dem Schlupf aktiv. Interessanterweise scheinen alle EH-Neuronen ausschließlich peptiderg zu sein. In Kapitel III wurde mit Hilfe von Chemoconnectomics festgestellt, dass PTTH-Neuronen Rezeptoren für sNPF, Allatostatin A (AstA), Allatostatin C (AstC) und Myosuppressin (Ms) exprimieren, während EH nur Ms- und AstA-Rezeptoren exprimieren. Eklosionsversuche mit Fliegen, deren AstA-, AstC- oder Ms-Signalübertragung beeinträchtigt ist, zeigen unter konstanten Bedingungen keine Arrhythmie. Eine optogenetische Aktivierung der AstA-Neuronen führt jedoch zu einer starken Unterdrückung des Schlupfs. Kapitel IV konzentriert sich auf die peripheren ventralen Trachealdendritischen Neurone (v'Td) und dendritische Verzweigungsneurone der Klasse IV (C4da). Die C4da-Neuronen vermitteln die Lichtvermeidung der Larven durch endokrine PTTH-Signale. Die v'Td-Neuronen erhalten hauptsächlich O2/CO2-Input aus den Tracheen und sind den Vm-Neuronen vorgeschaltet, werden aber für die Schlupfrhythmik nicht benötigt. Die bedingte Ablation der C4da-Neuronen und das Knock-out von torso (Rezeptor für PTTH) in den C4da-Neuronen beeinträchtigten die Schlupfrhythmik. Sechs bis sieben Stunden vor dem Schlupf sind die PTTHn-, C4da- und Vm-Neuronen aktiv. Somit könnten C4da-Neuronen indirekt die PTTHn mit den Vm-Neuronen verbinden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit unser Wissen über das zeitliche Aktivitätsmuster und der Rolle des PTTH signalling während der Puppenentwicklung und dem rhythmisches Schlupf erweitert. Sie liefert auch eine umfassende Charakterisierung der synaptischen und peptidergen Eingänge von Uhrneuronen zu PTTHn- und EH-Neuronen. AstA, AstC und Ms wurden als potenzielle Modulatoren der neuronalen Schlupfschaltkreise identifiziert und deuten auf einen indirekten Effekt der PTTH-Signalgebung auf das EH signalling über die peripheren sensorischen C4da-Neuronen hin.

Since the fruit fly Drosophila melanogaster entered the laboratories as a model organism, new genetic, physiological, molecular and behavioral techniques for the functional analysis of the brain rapidly accumulated. Nowadays this concerted assault obtains its main thrust form Gal4 expression patterns that can be visualized and provide the means for manipulating -in unrestrained animals- groups of neurons of the brain. To take advantage of these patterns one needs to know their anatomy. This thesis describes the Virtual Insect Brain (VIB) protocol, a software package for the quantitative assessment, comparison, and presentation of neuroanatomical data. It is based on the 3D-reconstruction and visualization software Amira (Mercury Inc.). Its main part is a standardization procedure which aligns individual 3D images (series of virtual sections obtained by confocal microscopy) to a common coordinate system and computes average intensities for each voxel (volume pixel). The VIB protocol facilitates direct comparison of gene expression patterns and describes their interindividual variability. It provides volumetry of brain regions and helps to characterize the phenotypes of brain structure mutants. Using the VIB protocol does not require any programming skills since all operations are carried out at a (near to) self-explanatory graphical user interface. Although the VIB protocol has been developed for the standardization of Drosophila neuroanatomy, the program structure can be used for the standardization of other 3D structures as well. Standardizing brains and gene expression patterns is a new approach to biological shape and its variability. Using the VIB protocol consequently may help to integrate knowledge on the correlation of form and function of the insect brain. The VIB protocol provides a first set of tools supporting this endeavor in Drosophila. The software is freely available at http://www.neurofly.de. / Seitdem die Taufliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus Einzug in die Forschung erhalten hat, sammeln sich mehr und mehr genetische, physiologische und molekulare Techniken für die Funktionsanalyse des Gehirns an. Diese beruhen heutzutage meist auf Gal4 Expressionsmustern, die sichtbar gemacht werden können und eine gezielte Manipulierung von definierten Zellgruppen ermöglichen. Um Ergebnisse verschiedener Untersuchungen miteinander in Beziehung setzen zu können, muss man jedoch die typische Anatomie der zugrunde liegenden Expressionsmuster kennen. Diese Arbeit beschreibt das Virtual Insect Brain (VIB) Protokoll, eine Software für die Darstellung, die quantitative Einschätzung und den Vergleich von neuroanatomischen Daten, sowie einige exemplarische Anwendungen des VIB Protokolls. Die Software basiert auf der 3D-Rekonstruktions- und der Visualisierungs-Software Amira (Mercury Inc.). Sein Hauptbestandteil ist ein Normierungverfahren, das 3D-Bild-Stapel (Folgen virtueller Schnittbilder, erhalten durch konfokale Mikroskopie) auf ein gemeinsames Koordinatensystem abbildet und für jedes Voxel (dreidimensionaler Bildpunkt) die durchschnittliche Intensität berechnet. Das VIB Protokoll erleichtert dadurch den direkten Vergleich von Expressionsmustern und beschreibt ihre interindividuelle Variabilität. Es liefert volumetrische Messungen zu definierten Gehirnregionen und hilft, die durch Mutation entstehenden Veränderungen der Gehirnstruktur zu erkennen. Das Verwenden des VIB Protokolls erfordert keinerlei Programmierkenntnisse, da alle Vorgänge auf einer selbsterklärenden graphischen Benutzeroberfläche ausgeführt werden können. Obgleich das VIB Protokoll für die Normierung der Neuroanatomy von Taufliegen entwickelt worden ist, kann die Programmstruktur auch für die Normierung anderer 3D-Strukturen benutzt werden. Gehirne und Expressionsmuster zu standardisieren ist ein neuer Ansatz die Variabilität der Neuroanatomie zu hinterfragen. Bei konsequenter Verwendung kann das VIB Protokoll helfen Wissen über Form und Funktion des Insektengehirns zu miteinander zu vernetzen. Das VIB Protokoll liefert einen ersten Satz Werkzeuge, die diese Bemühung in der Taufliege ermöglichen. Die Software kann kostenfrei von http://www.neurofly.de herunter geladen werden.

Die Zusammenlageurng spleißosomaler UsnRNPs erfolgt beim Menschen und anderen Vertebraten durch den makromolekularen SMN-Komplex. Dieser besteht aus insgesamt neun Proteinen, genannt SMN und Gemin2-8. In dieser Arbeit wurde die Evolution dieser molekularen Maschine untersucht. Dazu wurden die Genome mehrerer Modellorganismen bioinformatisch nach Orthologen von SMN und seinen Komplexpartnern durchsucht. Es zeigte sich, dass SMN und Gemin2 die Kernkomponenten des Komplexes darstellen. Von diesen ausgehend kamen weitere Komponenten im Laufe der Evolution hinzu und zwar blockweise, wie es ihrer physischen Assoziation im humanen Komplex entspricht. Um diese Befunde einer biochemischen Überprüfung zu unterziehen, wurde ein neues Affinitätsepitop, das TagIt-Epitop, entwickelt. Nach stabiler Transfektion von Drosophila Schneider2-Zellen konnte das Fusionsprotein effizient exprimiert und der Drosophila-SMN-Komplex nativ aufgereinigt werden. Die massenspektrometrische Untersuchung des Komplexes zeigte, dass SMN und Gemin2 seine einzigen stöchiometrischen Komponenten sind. Dies ist in eindrucksvoller Übereinstimmung mit den bioinformatischen Daten. Der aufgereinigte Komplex lagert in vitro Sm-Proteine mit der entsprechenden UsnRNA zum UsnRNP-core-Komplex zusammen. Diese Ergebnisse ließen sich nach rekombinanter Rekonstitution des SMN/Gemin2-Dimers rekapitulieren. Dabei zeigte sich, dass der SMN-Komplex die unkoordinierte Bindung der Sm-Proteine an „falsche“ RNAs verhindert. Folglich genügen SMN und Gemin2 zur Zusammenlagerung des Sm-core-Komplexes, während die übrigen Gemine weitere Funktionen im Kontext der UsnRNP-Biogenese spielen könnten. Aus evolutionsbiologischer Sichtweise ist der SMN-Komplex aus Drosophila ein eindrückliches Beispiel, wie die Vereinfachung eines biochemischen Prozesses zur Kompaktierung des Genoms beitragen kann. / In vertebrates, assembly of spliceosomal UsnRNPs is mediated by the SMN-complex, a macromolecular entity composed of the proteins SMN and Gemins 2-8. In this study, the evolution of this machinery has been investigated using complete genome assemblies of multiple model organisms. The SMN-complex has gained complexity in evolution by a block-wise addition of Gemins onto an ancestral core complex composed of SMN and Gemin2. In contrast to this overall evolutionary trend to higher complexity in metazoans, orthologs of most Gemins are missing in dipterans. In order to challenge these findings by biochemical means, I have developed a novel affinity epitope suitable for use in transfected Drosophila Schneider2-cells. Using protein mass spectrometry, the composition of the Drosophila SMN-complex has been determined. In accordance with the bioinformatic data, it consists of the core components SMN and Gemin2 only. Purified complex mediates assembly of UsnRNP core complexes in a manner very similar to its vertebrate counterpart. These results were recapitulated after recombinant reconstitution of the dSMN/dGemin2-dimer, demonstrating that the Drosophila complex also prevents mis-assembly of Smproteins onto non-target RNAs. Hence, only a minority of Gemins is required for the assembly reaction per se, whereas others may serve additional functions in the context of UsnRNP biogenesis. From a more general point of view, the evolution of the SMN-complex is an interesting example of how the simplification of a biochemical process contributes to genome compaction.

Is behaviour response or action? In this Thesis I study this question regarding a rather simple organism, the larva of the fruit fly Drosophila melanogaster. Despite its numerically simple brain and limited behavioural repertoire, it is nevertheless capable to accomplish surprisingly complex tasks. After association of an odour and a rewarding or punishing reinforcement signal, the learnt odour is able to retrieve the formed memory trace. However, the activated memory trace is not automatically turned into learned behaviour: Appetitive memory traces are behaviourally expressed only in absence of the rewarding tastant whereas aversive memory traces are behaviourally expressed in the presence of the punishing tastant. The ‘decision’ whether to behaviourally express a memory trace or not relies on a quantitive comparison between memory trace and current situation: only if the memory trace (after odour-sugar training) predicts a stronger sugar reward than currently present, animals show appetitive conditioned behaviour. Learned appetitive behaviour is best seen as active search for food – being pointless in the presence of (enough) food. Learned aversive behaviour, in turn, can be seen as escape from a punishment – being pointless in absence of punishment. Importantly, appetitive and aversive memory traces can be formed and retrieved independent from each other but also can, under appriate circumstances, summate to jointly organise conditioned behaviour. In contrast to learned behaviour, innate olfactory behaviour is not influenced by gustatory processing and vice versa. Thus, innate olfactory and gustatory behaviour is rather rigid and reflexive in nature, being executed almost regardless of other environmental cues. I suggest a behavioural circuit-model of chemosensory behaviour and the ‘decision’ process whether to behaviourally express a memory trace or not. This model reflects known components of the larval chemobehavioural circuit and provides clear hypotheses about the kinds of architecture to look for in the currently unknown parts of this circuit. The second chapter deals with gustatory perception and processing (especially of bitter substances). Quinine, the bitter tastant in tonic water and bitter lemon, is aversive for larvae, suppresses feeding behaviour and can act as aversive reinforcer in learning experiments. However, all three examined behaviours differ in their dose-effect dynamics, suggesting different molecular and cellular processing streams at some level. Innate choice behaviour, thought to be relatively reflexive and hard-wired, nevertheless can be influenced by the gustatory context. That is, attraction toward sweet tastants is decreased in presence of bitter tastants. The extent of this inhibitory effect depends on the concentration of both sweet and bitter tastant. Importantly, sweet tastants differ in their sensitivity to bitter interference, indicating a stimulus-specific mechanism. The molecular and cellular processes underlying the inhibitory effect of bitter tastants are unknown, but the behavioural results presented here provide a framework to further investigate interactions of gustatory processing streams. / Ist Verhalten Aktion oder Reaktion? In dieser Arbeit widme ich mich dieser Frage anhand eines recht einfachen Organismus, der Larve der Taufliege Drosophila melanogaster. Trotz ihres nur aus wenigen Tausend Nervenzellen bestehenden Gehirns und begrenzten Verhaltensrepertoires ist sie dennoch zu überraschend komplexem Verhalten fähig. Nach der Assoziation eines Duftes mit einem belohnenden oder bestrafenden Geschmacksstoff ist der gelernte Duft in der Lage, die gebildete Gedächtnisspur abzurufen. Diese aktivierte Gedächtnisspur wird jedoch nicht automatisch in Verhalten übersetzt: Appetitive Gedächtnisspuren führen nur in Abwesenheit des belohnenden Geschmacks zu erlerntem Verhalten, während aversive Gedächtnisspuren nur in Anwesenheit des bestrafenden Geschmacks in erlerntem Verhalten münden. Die „Entscheidung“, eine Gedächtnisspur in Verhalten zu übersetzen oder nicht, beruht auf einem quantitativen Vergleich zwischen der Gedächtnisspur und der aktuellen Situation: Nur wenn die Gedächtnisspur (nach einem Duft-Zucker-Training) eine größere Zuckerbelohnung vorhersagt als gegewärtig vorhanden, zeigen die Tiere appetitives erlerntes Verhalten. Solches Verhalten kann man am besten als aktive Suche nach Nahrung interpretieren, die in Gegenwart von (ausreichend) Nahrung sinnlos ist. Aversives erlerntes Verhalten andererseits kann als Flucht vor einer Bestrafung verstanden werden – und in Abwesenheit einer Bestrafung gibt es nichts, wovor man fliehen könnte. Appetitive und aversive Gedächtnisspuren können unabhängig voneinander gebildet und abgerufen werden, können unter den richtigen Umständen aber auch gemeinsam erlerntes Verhalten organisieren. Im Gegensatz zu erlerntem Verhalten wird angeborenes olfaktorisches Verhalten nicht durch das Geschmackssystem beinflusst – und umgekehrt. Angeborenes Verhalten erscheint also relativ starr und reflexhaft und läuft größtenteils unbeeinflusst von anderen Umwelteinflüssen ab. Schließlich entwerfe ich ein auf Verhalten basierendes Schaltkreismodell des chemosensorischen Systems der Larve und der „Entscheidung“, eine Gedächtnisspur in Verhalten umzusetzen oder nicht. Dieses Modell stellt bekannte Komponenten des Systems dar und macht klare Vorhersagen über die Architektur, die bisher noch unbekannte Komponenten haben sollten. Das zweite Kapitel der Arbeit behandelt die Wahrnehmung und Verarbeitung von (hauptsächlich bitteren) Geschmacksstoffen. Chinin, der bittere Geschmack in Getränken wie Bitter Lemon, wirkt abstoßend auf Larven, unterdrückt ihr Fressverhalten und kann in Lernexperimenten als Bestrafung wirken. Allerdings unterscheiden sich alle drei untersuchten Verhalten in der Dynamik ihrer Dosis-Wirkungskurven, was unterschiedliche molekulare und zelluläre Wirkungsweisen nahe legt. Angeborenes Wahlverhalten, das als reflexhaft und starr gilt, kann dennoch durch den gustatorischen Kontext beeinflusst werden. Das bedeutet, die Anwesenheit eines Bitterstoffes ist in der Lage, die angeborene Präferenz von Larven für süße Geschmackstoffen zu unterdrücken. Dieser inhibitorische Effekt hängt sowohl von der Konzentration der süßen als auch der bitteren Substanz ab. Was noch wichtiger ist: Die verschiedenen Zucker sind unterschiedlich anfällig für die Störung durch Bitterstoffe, was auf einen Stimulus-spezifischen Mechanismus hindeutet. Die genauen molekularen und zellulären Prozesse, die diesem inhibitorischen Effekt von Bitterstofen zugrunde liegen, sind noch nicht bekannt, die hier präsentierten Ergebnisse bieten aber einen geeigneten Rahmen für weitergehende Untersuchungen der Interaktionen zwischen verschiedenen Teilen des Geschmacksapparates.

Die Entwicklung von Ethanoltoleranz ist ein Indikator für eine mögliche Abhängigkeit von Alkohol. Der genaue molekulare Mechanismus der Ethanoltoleranzentwicklung ist jedoch nicht bekannt. Drosophila ermöglicht die molekulare und phänotypische Untersuchung von verschiedenen Mutanten mit veränderter Toleranz und kann so zu einem besseren Verständnis beitragen. Die hangAE10 Mutante entwickelt eine reduzierte Ethanoltoleranz, wobei dieser Phänotyp auf Defekte in der zellulären Stressantwort zurückzuführen ist. Für ein besseres Verständnis, in welchen molekularen Mechanismen bzw. Signalwegen HANG wirkt, wurde die Funktion des Proteins auf zellulärer Ebene analysiert und mögliche Zielgene charakterisiert. Die auffällige Proteinstruktur von HANG spricht für eine Interaktion mit Nukleinsäuren. Immunhistochemische Analysen von ektopisch exprimiertem Hangover Protein ergaben, dass dieses nicht mit der DNA co-lokalisiert und auch nicht an polytänen Chromosomen nachgewiesen werden kann. Die ektopische Expression von HANG in Speicheldrüsenzellen zeigte eine punktförmige Verteilung des Proteins innerhalb des Zellkerns. Dieses punktförmige Expressionsmuster wird häufig in RNA-bindenden Proteinen gefunden. Deshalb wurden Co-Lokalisationsstudien von HANG mit Markern für RNAmodifizierende Proteine durchgeführt. Dabei wurde keine Interaktion mit verschiedenen Markerproteinen des Spleißapparates gefunden. Mithilfe von in vitro Experimenten konnte aber die Bindung von RNA an bestimmten Hangover Proteinbereichen nachgewiesen werden Diese Ergebnisse legen nahe, dass HANG eine RNA-regulierende Funktion hat. In einem cDNA Microarray Experiment wurde das Gen dunce als mögliches Zielgen von Hangover identifiziert. Das Gen dunce kodiert für eine Phosphodiesterase, welche spezifisch cAMP hydrolysiert. Zur Bestätigung der cDNA Microarray Experimente wurden die dnc Transkriptunterschiede in Wildtyp und hangAE10 Mutante mithilfe von semiquantitativer RT-PCR für jede der vier Gruppen untersucht. Dabei konnte eine Reduktion der dncRMRA-Transkriptgruppe in hangAE10 Mutanten nachgewiesen werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde die dncRMRA -spezifische dncΔ143 Mutante hergestellt und auf Verhaltensebene analysiert. Die Experimente zeigten, dass sowohl dnc1, als auch die dncΔ143 Mutante eine reduzierte Ethanoltoleranz und Defekte in der zellulären Stressantwort aufweisen. Für die Rettung der reduzierten Toleranz von hangAE10 und dncΔ143 in dncRMRA-spezifischen Neuronen wurde die dncRMRA Promotor- GAL4 Linie hergestellt. Die reduzierte Ethanoltoleranz der dncΔ143 Mutanten konnte über die Expression von UAS-dnc mit der dncRMRA-GAL4 Linie auf Wildtyp Level gerettet werden. Die reduzierte Toleranz der hangAE10 Mutante konnte mithilfe derselben GAL4 Linie verbessert werden. Dies beweist, dass in beiden Mutanten dieselben Zellen für die Entwicklung von Ethanoltoleranz benötigt werden und sie wahrscheinlich in der gleichen Signaltransduktionskaskade eine Funktion haben. Aufgrund der Anfälligkeit der UAS/ GAL4 Systems gegenüber Hitze war es außerdem nicht möglich die Defekte der zellulären Stressantwort von dncΔ143 bzw. hangAE10 Fliegen zu retten. Die Rettung der reduzierten Ethanoltoleranz der dcnΔ143 Mutante führte außerdem zu der Vermutung, dass die cAMP Regulation eine wichtige Funktion bei der Ethanoltoleranzentwicklung hat. Über die Expression von cAMP-regulierenden Proteinen in dncRMRA-spezifischen Neuronen wurde der Einfluss von cAMP bei Ethanol-induziertem Verhalten überprüft. Bei der Überexpression von dunce und rutabaga konnte weder eine Veränderung für die Ethanolsensitivität, noch für die Toleranzentwicklung festgestellt werden. Eine Erklärung hierfür wäre, dass Veränderungen in der cAMP Konzentration über Rückkopplungsmechanismen zwischen Dunce und Rutabaga ausgeglichen werden können. Für eine genauere Aussage müsste jedoch die cAMP Konzentration in diesen Fliegen gemessen werden. Die Überexpression von pka- in dncRMRA spezifischen Zellen führt zu einer erhöhten Ethanolresistenz. Das bedeutet, dass die Modulation der cAMP Konzentration durch dunce und rutabaga in dncRMRA spezifischen Zellen keinen Einfluss auf Ethanol-induziertes Verhalten hat, wohingegen die Stärke der cAMP vermittelten Signalverarbeitung über die cAMP-abhängige PKA zu Veränderungen im Verhalten führt. Für Mutanten des cAMP Signalweges ist außerdem bekannt, dass sie Defekte im olfaktorischen Lernen bzw. Gedächtnis aufweisen. Deshalb wurden die dncΔ143, dnc1 und hangAE10 Mutanten in diesem Paradigma getestet. Sowohl dnc1, als auch dncΔ143 Fliegen zeigten einen reduzierten Performance Index für das zwei und 30 Minuten Gedächtnis. Nach 180 Minuten verhielten sich die dncΔ143 Mutanten nicht mehr unterschiedlich zum Wildtyp, die dnc1 Mutante zeigte jedoch immer noch eine Reduktion des Performance Index im Vergleich zur Kontrolle. Demnach ist in dncΔ143 Mutanten nur das Kurzzeitgedächtnis betroffen, wohingegen hangAE10 Mutanten keine Reduktion des Performance Index für das olfaktorische Kurzzeitgedächtnis aufweisen. Die unterschiedlichen Ergebnisse der beiden Mutanten in der Gedächtnisentwicklung deuten außerdem daraufhin, dass Lernen und Gedächtnis in dncΔ143 und hangAE10 Mutanten von der Toleranzentwicklung unabhängig über unterschiedliche cAMP-abhängige Signaltransduktionskaskaden reguliert werden. / The development of ethanol tolerance is an indicator for a possible alcohol addiction. However the correct molecular mechanism of ethanol tolerance development is not known. The model organism Drosophila allows molecular and phenotypic observations of several mutants with altered ethanol tolerance (Scholz et al., 2000). HangAE10 mutants develop reduced ethanol tolerance because of defects in the cellular stress response (Scholz et al., 2005). For a better understanding of molecular mechanisms or signaling pathways, HANG putative target genes were identified, characterized and the protein function was analyzed on cellular level. The Hangover protein has 16 zinc finger domains, two of them are found in RNA modifying proteins (Scholz et al., 2005; Nelissen et al., 1991). This striking protein structure argues for an interaction of HANG with nucleic acids. In immunohistochemical studies with an ectopically expressed Hangover protein neither colocalization with DNA nor detectable Hangover binding on polytene chromosomes was observed. The ectopic expression of HANG in salivary glands shows a speckled protein distribution in the nucleus, which is similar to the expression pattern in RNA modifying proteins (Spector, 2001). Therefore colocalization studies of HANG with markers for RNA modifying proteins were performed. However no interaction with nucleoli was found. Certain factors of the splicing machinery also show no colocalization with Hangover. Since the studies were done with ectopically expressed protein, the results do not necessarily reflect the wild type behavior of HANG, as the interaction partner is not expressed in a comparable amount. RNA binding to specific parts of the Hangover protein was detected by in vitro experiments. Furthermore wild type expression of Hangover in neuronal cells shows the typical speckled distribution of RNA modifying proteins. These results suggest a RNA regulating function of HANG. In cDNA microarray experiments dunce was identified as a putative target gene of Hangover (Klebes and Scholz, unpublished data). The gene dunce encodes a phosphodiesterase that specifically hydrolyses cAMP (Davis and Kiger, 1981). The 14 dnc transcripts can be divided into four groups based on their length and function (http://flybase.org/; Qiu et al., 1993). To confirm the results of the cDNA microarray experiments, semiquantitative RT-PCRs were performed to analyze the differences in dnc transcript levels between wild type and hangAE10 mutants for each dnc group. A reduced amount of dncRMRA transcripts was observed in hangAE10 mutants. On the basis of these results the dncRMRA transcript specific dncΔ143 mutant was generated (Saratsis, 2006) and tested on behavioral level. Behavioral analysis of dnc1 and dncΔ143 mutants showed reduced ethanol tolerance and defects in the cellular stress response. For rescue experiments of reduced ethanol tolerance in hangAE10 and dncΔ143 mutants in specific dncRMRA neurons, the promotor dncRMRA-GAL4 line was generated (Saratsis, 2006). In-situ hybridization studies suggested that the expression pattern of dncRMRA-GAL4 reflects the endogenous expression of the dncRMRA transcripts. For unambiguous results colocalization studies with a specific DncRMRA antibody has to be done. The dncRMRA-GAL4 line shows a broad expression pattern, with transgene expression in about every 200th cell in the brain. It innervates the antennal lobes, parts of the mushroom body and regions of the central complex. The reduced ethanol tolerance in dncΔ143 mutants was rescued to wild type level by expressing UAS-dnc with the promotor dncRMRA-GAL4 line. Whereas the reduced ethanol tolerance in hangAE10 mutants was advanced by expressing UAS-hang with the same GAL4 line. This demonstrates that both mutants involve the same set of neurons for developing ethanol tolerance and probably act in the same signaling pathway. Expression studies showed that dncRMRA lies downstream of hang. The attempt to rescue the reduced ethanol tolerance in hangAE10 flies by expressing dnc using dncRMRA-GAL4 line did not advance the tolerance in these flies. An obvious explanation is that HANG does not only regulate dunce but also other genes and these regulation defects in hangAE10 mutants cannot be reversed by dnc expression. Due to the sensitivity of the UAS/ GAL4 system towards heat it was impossible to rescue the cellular stress response defects in dncΔ143 and hangAE10 mutants. The rescue of the dncΔ143 tolerance phenotype resulted in the assumption that cAMP regulation has an important function in the development of ethanol tolerance. The effect of cAMP on ethanol induced behavior should be tested by expression of cAMP regulating proteins in dncRMRA specific neurons. There the overexpression of dunce should result in an increase and the overexpression of rutabaga should lead to a decrease in cAMP levels. However, for both experiments there was neither a change in ethanol sensitivity nor in ethanol tolerance. An explanation would be that changes in cAMP concentration could be balanced by feedback loops between Dunce and Rutabaga. For a decisive conclusion the cAMP concentration in these flies has to be measured. Overexpressing pka-c, a gene that encodes the catalytic subunit of PKA in dncRMRA specific cells, leads to a higher resistance towards ethanol. This shows that the modulation of cAMP level by Dunce and Rutabaga has no effect on ethanol induced behavior in dncRMRA specific cells. Whereas the intensity of cAMP mediated signaling processes result in behavioral changes. Several mutants of the cAMP signaling pathway are impaired in olfactory learning and memory. Therefore dnc1, dncΔ143 and hangAE10 mutants were tested in this paradigm. Dnc1 as well as dncΔ143 flies showed reduced performance indices two and 30 minutes memory. After 180 minutes the performance index of dncΔ143 mutants was not significantly different from wild type whereas dnc1 mutants still had a reduction in comparison to wild type. Thus, dncΔ143 mutants have defects in short-term memory whereas short-term memory of hangAE10 mutants is not affected. However it is not known how hangAE10 flies will perform for mid-term and long-term memory formation. Similar to memory formation there exist different phases of tolerance development. To detect, if the long-term or the short-term form of tolerance is affected, the kinetic of tolerance development was investigated for dncΔ143 and hangAE10 mutants. In dncΔ143 mutants the first phase of tolerance development is defective, whereas in hangAE10 mutants the early and the late phase seem to be affected. Thus a part of the reduced tolerance in hangAE10 and the complete reduction in dncΔ143 mutants could be due to defects in the same signaling pathway regulated via cAMP. The variable results for the development of short-term memory in both mutants indicate that memory formation in dncΔ143 and hangAE10 mutants is independent of ethanol tolerance development and is regulated by different cAMP signaling pathways.

Übertragbare spongiforme Enzephalopathien (TSE) wie Scrapie beim Schaf, die bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE) beim Rind oder die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJD) beim Menschen sind fortschreitende neurodegenerative Erkrankungen, die nach langer Inkubationszeit zum Tod führen. Die protein only-Hypothese besagt, dass das infektiöse Agens „Prion“ teilweise oder vollständig aus dem zellulären Prion-Protein (PrPC) besteht und nach Infektion des Organismus die Konversion von PrPC in die pathogene Isoform (PrPSc) verursacht. Die der Krankheit zugrunde liegenden neuropathologischen Mechanismen und die physiologische Funktion von PrPC sind bisher unbekannt. Es wurden jedoch eine neuroprotektive Funktion oder eine mögliche Rolle im Zusammenhang mit der oxidativen Stress Homöostase postuliert. In dieser Arbeit wurden transgene Drosophila melanogaster-Linien als Modell zur Untersuchung der Funktion von PrPC etabliert. Unter Verwendung des Expressionssystems UAS/GAL4 exprimierten die Fliegen entweder wildtypisches PrP (wt-PrP) oder eine trunkierte, krankheits-assoziierte Mutante PrPΔ32-134 (tr-PrP), der die potentielle neuroprotektive Octarepeat-Domäne entfernt wurde. Wt-PrP transgene Fliegen zeigten nach Vergleich mit Kontrolllinien eine signifikante, um 20% erhöhte allgemeine Lebenserwartung. Obwohl die Expression von tr-PrP in Drosophila zu keinen nachweisbaren neuropathologischen Veränderungen führte, wurde die Lebensspanne um 8% reduziert. Ko-Expression von wt-PrP und tr-PrP konnte diesen Effekt nicht komplementieren, was eine chronische Toxizität der trunkierten Form nahelegt, die in diesem Zusammenhang der Neuroprotektion übergeordnet ist. Da Lebenserwartung und Stressresistenz eng miteinander korrelieren, wurden die Fliegen den reaktiven Sauerstoffspezies Wasserstoffperoxid, Sauerstoff und Paraquat ausgesetzt, um auf drei unabhängigen Wegen oxidativen Stress zu induzieren. In der Tat vermittelt wt-PrP eine signifikante Stressresistenz, wohingegen tr-PrP-exprimierende Tiere eine normale Anfälligkeit offenbarten, die jedoch teilweise durch Ko-Expression beider PrP-Formen komplementiert werden konnte. Hier erscheint die protektive Funktion von wt-PrP der Toxizität der Deletionsmutante übergeordnet zu sein. Diese Daten belegen eine wichtige Funktion des Prion-Proteins bezüglich der Abwehr von oxidativem Stress. Essentiell ist dabei die Kupfer-bindende Octarepeat-Domäne, durch die möglicherweise Fenton-ähnliche Reaktionen, die bei der Sauerstoff-Radikalsynthese eine wichtige Rolle spielen, inhibiert werden könnten. Konsistent damit ist die Beobachtung des Verlusts der erworbenen Stressresistenz nach Expression der Octarepeat-losen Mutante tr-PrP und die signifikante Reduktion der Lebenserwartung über einen bislang unaufgeklärten Mechanismus. Das Drosophila PrP-Modell bietet die Möglichkeit, die physiologische Funktion von PrP detailliert zu untersuchen. Außerdem ist die Identifizierung unbekannter PrP-Interaktionspartner ermöglicht, um Signaltransduktionswege des PrP und die zugrunde liegenden neurodegenerativen Mechanismen aufzuklären. / Transmissible spongiforme encephalopathies (TSE) such as scrapie in sheep, bovine spongiform encephalopathy (BSE) in cattle or Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) in humans are fatal progressive neurodegenerative disorders. The protein only hypothesis proposes that the infectious agent designated prion consists partly or entirely of the host cellular prion protein (PrPC) and, when the prion is introduced into the organism, causes the conversion of PrPC into the pathogenic isoform PrPSc. However, the disease underlying neuropathogenic mechanisms and the physiological function of PrPC still remain unknown, although a neuroprotective function or a role in oxidative stress homeostasis has been postulated previously. In this work transgenic Drosophila melanogaster lines were evaluated as a model for studying the function of PrPC. By using the bipartite expression system UAS/GAL4 either wild-type PrP (wt-PrP) or a truncated disease associated variant PrPΔ32-134 (tr-PrP) lacking the putative neuroprotective octarepeat domain were utilized. Wt-PrP transgenic flies displayed an approximately 20% increase in average lifespan compared to controls. Although expression of tr-PrP in Drosophila did not induce any obvious neuropathology, it significantly reduced the lifespan by 8%. Co-expression of wt-PrP and tr-PrP did not complement this phenotype, indicating a chronic toxicity of the truncated PrP that is overriding the neuroprotection. Since extended lifespan and stress resistance are closely associated, flies were exposed to the reactive oxygen species (ROS) hydrogen peroxide, oxygen and Paraquat as three independent treatments to provoke oxidative stress. Interestingly, wt-PrP confered resistance to ROS-induced stress, whereas tr-PrP transgenic flies showed normal susceptibility, which was partly rescued by co-expression of wt-PrP. In this regard PrP presence in its physiological compartment, the central nervous system, is sufficient to maintain the described beneficial effects. These findings suggest that PrP is involved in oxidative stress homeostasis by a mechanism that requires the copper binding octarepeat domain. This function might be responsible for the inhibition of Fenton-like reactions which are known to play an important role in oxygen radical synthesis. Consistent with this theory is the observation that ectopic expression of the octarepeat deletion mutant tr-PrP reduces both acquired stress resistance and lifespan by an unrelated, yet unknown mechanism. The Drosophila PrP model provides the possibility to investigate the physiological function of PrP in more detail. It is likewise considerable to identify unknown ligands of PrP in order to uncover PrP signal transduction pathways or neuropathogenic mechanisms.

In this work, a behavioural analysis of different mutants of the fruit fly Drosophila melanogaster has been carried out. Primarily, the gap climbing behaviour (Pick & Strauss, 2005) has been assayed as it lends itself for the investigation of decision making processes and the neuronal basis of adaptive behaviour. Furthermore it shows how basic motor actions can be combined into a complex motor behaviour. Thanks to the neurogenetic methods, Drosophila melanogaster has become an ideal study object for neurobiological questions. Two different modules of climbing control have been examined in detail. For the decision making, the mutant climbing sisyphus was analysed. While wild-type flies adapt the initiation of climbing behaviour to the width of the gap and the probability for a successful transition. climbing sisyphus flies initiate climbing behaviour even at clearly insurmountable gap widths. The climbing success itself is not improved in comparison to the wild-type siblings. The mutant climbing sisyphus is a rare example of a hyperactive mutant besides many mutants that show a reduced activity. Basic capabilities in vision have been tested in an optomotor and a distance-estimation paradigm. Since they are not affected, a defect in decision making is most probably the cause of this behavioural aberration. A second module of climbing control is keeping up orientation towards the opposite side of the gap during the execution of climbing behaviour. Mutants with a structural defect in the protocerebral bridge show abnormal climbing behaviour. During the climbing attempt, the longitudinal body axis does not necessarily point into the direction of the opposite side. Instead, many climbing events are initiated at the side edge of the walking block into the void and have no chance to ever succeed. The analysed mutants are not blind. In one of the mutants, tay bridge1 (tay1) a partial rescue attempt used to map the function in the brain succeeded such that the state of the bridge was restored. That way, a visual targeting mechanism has been activated, allowing the flies to target the opposite side. When the visibility of the opposing side was reduced, the rescued flies went back to a tay1 level of directional scatter. The results are in accord with the idea that the bridge is a central constituent of the visual targeting mechanism. The tay1 mutant was also analysed in other behavioural paradigms. A reduction in walking speed and walking activity in this mutant could be rescued by the expression of UAS-tay under the control of the 007Y-GAL4 driver line, which concomitantly restores the structure of the protocerebral bridge. The separation of bridge functions from functions of other parts of the brain of tay1 was accomplished by rescuing the reduced optomotor compensation in tay1 by the mb247-GAL4>UAS-tay driver. While still having a tay1-like protocerebral bridge, mb247-GAL4 rescue flies are able to compensate at wild-type levels. An intact compensation is not depended on the tay expression in the mushroom bodies, as mushroom body ablated flies with a tay1 background and expression of UAS-tay under the control of mb247-GAL4 show wild-type behaviour as well. The most likely substrate for the function are currently unidentified neurons in the fan-shaped body, that can be stained with 007Y-GAL4 and mb247-GAL4 as well. / In der vorliegenden Arbeit wurde eine Verhaltensanalyse verschiedener Mutanten der Fruchtfliege Drosophila melanogaster durchgeführt. Dazu wurde primär das Lücken-überwindungsparadigma (Pick & Strauss, 2005) herangezogen, das sich auf besondere Weise zur Erforschung von Entscheidungsfindung und adaptivem Verhalten anbietet. Weiterhin zeigt sich hier, wie einfache motorische Aktionen zu einem komplexen motorischen Verhalten zusammengefügt werden können. Dank der Möglichkeiten der Gentechnik bietet sich Drosophila hier als Studienobjekt an. Zwei Module der Kletterkontrolle wurden genauer untersucht. Im Bezug auf die Entscheidungsfindung wurde die Mutante climbing sisyphus getestet. Während der Wildtyp sein Kletterverhalten sehr genau an die Lückenbreite und die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Überquerung anpasst (Pick & Strauss, 2005), werden bei climbing sisyphus auch bei einer unmöglich zu überquerenden Lücke noch Kletteraktionen initiiert. Der Klettererfolg selbst ist im Vergleich zum Wildtyp nicht verbessert. Die Mutante climbing sisyphus ist ein seltenes Beispiel einer hyperaktiven Mutante neben vielen Mutanten die eine reduzierte Aktivität zeigen. Grundlegende Fähigkeiten im visuellen Bereich wurden in der Optomotorik und im Entfernungsschätzen getestet und sind in climbing sisyphus nicht beeinträchtigt, ein Defekt in der Entscheidungsfindung ist wahrscheinlich Ursache des gestörten Verhaltens. Ein zweites Modul der Kletterkontrolle betrifft die Aufrechterhaltung der Orientierung hin zur gegenüberliegenden Seite der Lücke. Mutanten mit einem Strukturdefekt in der Protozerebralbrücke des Zentralkomplexes zeigen ein abnormes Kletterverhalten. Die Körperlängsachse zeigt während des Klettervorgangs nicht in die Richtung der gegenüberliegenden Seite. Stattdessen werden oft Klettervorgänge am seitlichen Rand des Klettersteges initiiert, die keinerlei Aussicht auf Erfolg haben. Die untersuchten mutanten Fliegen sind nicht blind. In einem der Stämme, tay bridge1 (tay1), gelang zur funktionellen Kartierung eine partielle Rettung dieses Verhaltens durch die Expression des wildtypischen Gens in einem kleinen Teil des Nervensystems. Das Wiederherstellen der wildtypischen Brückenstruktur in tay1 aktiviert einen visuellen Zielmechanismus, der eine Ausrichtung der Fliegen auf die gegenüberliegende Seite ermöglicht. Wenn die Sichtbarkeit der gegenüberliegenden Seite reduziert wird, geht dieser Rettungseffekt verloren. Die Brücke ist nach diesen Befunden ein zentraler Bestandteil der visuell gesteuerten Zielmotorik. Die tay1 Mutante wurde auch in weiteren Verhaltensexperimenten untersucht. So konnte eine in dieser Mutante vorliegende Reduktion der Laufgeschwindigkeit und Laufaktivität durch die Expression von UAS-tay unter der Kontrolle des Treibers 007Y-GAL4 zusammen mit der Struktur der Brücke gerettet werden. Eine Rettung der reduzierten Kompensation für optomotorische Stimuli in tay1 durch den Treiber mb247-GAL4 erlaubte eine Trennung von tay1 Defekten in der Brücke von Defekten in anderen Teilen des Gehirns. Trotz einer tay1-typischen unterbrochenen Brücke sind mit mb247-GAL4>UAS-tay gerettete Fliegen in der Lage eine Stimulation mit optomotorischen Reizen auf wildtypischem Niveau zu kompensieren. Diese Kompensation hängt nicht von den Pilzkörpern ab, da auf chemischen Wege pilzkörperablatierte Fliegen mit einer Expression von UAS-tay unter der Kontrolle von mb247-GAL4 sich trotz tay1 Hintergrund ebenfalls wildtypisch verhalten. Die wahrscheinlichsten Träger für diese Rettung sind noch nicht identifizierte Neurone im Fächerförmigen Körper des Zentralkomplexes, die mit 007Y-GAL4 und mb247-GAL4 angefärbt werden können.

Memory is dynamic: shortly after acquisition it is susceptible to amnesic treatments, gets gradually consolidated, and becomes resistant to retrograde amnesia (McGaugh, 2000). Associative olfactory memory of the fruit fly Drosophila melanogaster also shows these features. After a single associative training where an odor is paired with electric shock (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985), flies form an aversive odor memory that lasts for several hours, consisting of qualitatively different components. These components can be dissociated by mutations, their underlying neuronal circuitry and susceptibility to amnesic treatments (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). A component that is susceptible to an amnesic treatment, i.e. anesthesia-sensitive memory (ASM), dominates early memory, but decays rapidly (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). A consolidated anesthesia-resistant memory component (ARM) is built gradually within the following hours and lasts significantly longer (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). I showed here that the establishment of ARM requires less intensity of shock reinforcement than ASM. ARM and ASM rely on different molecular and/or neuronal processes: ARM is selectively impaired in the radish mutant, whereas for example the amnesiac and rutabaga genes are specifically required for ASM (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). The latter comprise the cAMP signaling pathway in the fly, with the PKA being its supposed major target (Levin et al., 1992). Here I showed that a synapsin null-mutant encoding the evolutionary conserved phosphoprotein Synapsin is selectively impaired in the labile ASM. Further experiments suggested Synapsin as a potential downstream effector of the cAMP/PKA cascade. Similar to my results, Synapsin plays a role for different learning tasks in vertebrates (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Also in Aplysia, PKA-dependent phosphorylation of Synapsin has been proposed to be involved in regulation of neurotransmitter release and short-term plasticity (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin is associated with a reserve pool of vesicles at the presynapse and is required to maintain vesicle release specifically under sustained high frequency nerve stimulation (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). In contrast, the requirement of Bruchpilot, which is homologous to the mammalian active zone proteins ELKS/CAST (Wagh et al., 2006), is most pronounced in immediate vesicle release (Kittel et al., 2006). Under repeated stimulation of a bruchpilot mutant motor neuron, immediate vesicle release is severely impaired whereas the following steady-state release is still possible (Kittel et al., 2006). In line with that, knockdown of the Bruchpilot protein causes impairment in clustering of Ca2+ channels to the active zones and a lack of electron-dense projections at presynaptic terminals (T-bars). Thus, less synaptic vesicles of the readily-releasable pool are accumulated to the release sites and their release probability is severely impaired (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). First, I showed that Bruchpilot is required for aversive olfactory memory and localized the requirement of Bruchpilot to the Kenyon cells of the mushroom body, the second-order olfactory interneurons in Drosophila. Furthermore, I demonstrated that Bruchpilot selectively functions for the consolidated anesthesia-resistant memory. Since Synapsin is specifically required for the labile anesthesia sensitive memory, different synaptic proteins can dissociate consolidated and labile components of olfactory memory and two different modes of neurotransmission (high- vs. low frequency dependent) might differentiate ASM and ARM. / Gedächtnis ist ein dynamischer Prozess. In der Zeit kurz nach seiner Bildung ist es instabil und anfällig gegen amnestische Störungen, dann wird es schrittweise konsolidiert und schließlich resistent gegenüber retrogradem Gedächtnisverlust (McGaugh, 2000). Auch das assoziative olfaktorische Gedächtnis der Fruchtfliege Drosophila melanogaster zeigt diese Merkmale. Nach einem einzelnen assoziativen Training, in welchem ein Duft mit elektrischen Stromstößen gepaart wird, bilden die Fliegen ein aversives Duftgedächtnis, welches über mehrere Stunden anhält und aus qualitativ unterschiedlichen Komponenten besteht (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985). Diese Komponenten können zum Beispiel durch Mutationen, die zugrunde liegenden neuronalen Verknüpfungen oder durch ihre Anfälligkeit für amnestische Behandlungen unterschieden werden (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). Eine gegen amnestische Behandlungen, wie beispielsweise Kälte-induzierte Betäubung, anfällige Komponente beherrscht das frühe Gedächtnis, zerfällt jedoch schnell (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese wird deshalb Anästhesie-sensitives Gedächtnis genannt (anesthesia-sensitive memory [ASM]). Im Gegensatz dazu baut sich eine konsolidierte Komponente erst langsam in den folgenden Stunden nach dem Training auf, hält stattdessen jedoch länger an (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese Komponente ist resistent gegenüber Kälte-induzierter Anästhesie und wird deshalb als ARM (anesthesia-resistant memory) bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit konnte ich zeigen, dass das konsolidierte ARM bereits mit deutlich weniger starken Elektroschocks im Training gebildet wird als das instabile ASM. ARM und ASM unterliegen unterschiedliche molekulare und/oder neuronale Prozesse. Während in einer Mutante für das radish Gen selektiv ARM beeinträchtigt ist, werden andere Gene wie zum Beispiel amnesiac oder rutabaga ausschließlich für ASM benötigt (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). Die beiden letzteren sind Teil des cAMP Signalweges, welcher vermutlich hauptsächlich die cAMP abhängige Protein-Kinase A (PKA) aktiviert (Levin et al., 1992). Hier zeige ich, dass eine Null-Mutante für das evolutionär konservierte Phosphoprotein Synapsin einen selektiven Defekt in ASM hat. Weitere Experimente lassen vermuten, dass Synapsin als Effektor stromabwärts der cAMP/PKA Kaskade wirkt. Ähnlich wie bei Drosophila spielt Synaspin auch in Vertebraten eine Rolle in unterschiedlichen Lernparadigmen (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Auch in der Meeresschnecke Aplysia wurde eine PKA abhängige Phosphorylierung von Synapsin als Mechanismus für die Regulierung von Neurotransmitterausschüttung und Kurzzeitplastizität vorgeschlagen (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin wird für die Bildung eines Reserve-Pools von Vesikeln an der Präsynapse und für die Aufrechterhaltung der Vesikelausschüttung speziell bei anhaltender, hochfrequenter Stimulation von Nervenzellen benötigt (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). Im Gegensatz dazu wird Bruchpilot, ein Protein der aktiven Zone und homolog zu den ELKS/CAST Proteinen bei Säugern (Wagh et al., 2006), haupsächlich für sofortige Vesikelausschüttung gebraucht (Kittel et al., 2006). Bei wiederholter Stimulation an Motorneuronen einer bruchpilot Mutante ist die akute Vesikelausschüttung stark vermindert, während die darauf folgende andauernde Ausschüttung noch immer möglich ist (Kittel et al., 2006). Dazu passend beeinträchtigt eine künstliche Verminderung des Bruchpilot-Proteins die Ansammlung von Ca2+ Kanälen an den aktiven Zonen, sowie die Bildung von elektronendichten Strukturen (T-bars) an den präsynaptischen Endigungen. Deshalb akkumulieren weniger Vesikel des “readily-releasable” Pools an den Ausschüttungsstellen und die Ausschüttungswahrscheinlichkeit ist stark vermindert (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). In dieser Arbeit zeige ich zum ersten Mal, dass Bruchpilot für aversives olfaktorisches Gedächtnis benötigt wird. Der Ort an dem Bruchpilot hierfür gebraucht wird sind die Kenyon-Zellen des Pilzkörpers, die olfaktorischen Interneuronen zweiter Ordnung in Drosophila. Desweiteren zeige ich, dass die Funktion von Bruchpilot selektiv für das konsolidierte ARM ist. Da Synapsin spezifisch für das labile ASM benötigt wird, können diese beiden olfaktorischen Gedächtniskomponenten durch verschiedene synaptische Proteine getrennt werden, und zwei unterschiedliche Arten der Neurotransmitterausschüttung (abhängig von hoch- oder niedrig-frequenter Stimulation) könnten ASM und ARM auseinander halten.