Synaptic plasticity determines the development of functional neural circuits. It is widely accepted as the mechanism behind learning and memory. Among different forms of synaptic plasticity, Hebbian plasticity describes an activity-induced change in synaptic strength, caused by correlated pre- and postsynaptic activity. Additionally, Hebbian plasticity is characterised by input specificity, which means it takes place only at synapses, which participate in activity. Because of its correlative nature, Hebbian plasticity suggests itself as a mechanism behind associative learning. Although it is commonly assumed that synaptic plasticity is closely linked to synaptic activity during development, the mechanistic understanding of this coupling is far from complete. In the present study channelrhodopsin-2 was used to evoke activity in vivo, at the glutamatergic Drosophila neuromuscular junction. Remarkably, correlated pre- and postsynaptic stimulation led to increased incorporation of GluR-IIA-type glutamate receptors into postsynaptic receptor fields, thus boosting postsynaptic sensitivity. This phenomenon is input-specific. Conversely, GluR-IIA was rapidly removed from synapses at which neurotransmitter release failed to evoke substantial postsynaptic depolarisation. This mechanism might be responsible to tame uncontrolled receptor field growth. Combining these results with developmental GluR-IIA dynamics leads to a comprehensive physiological concept, where Hebbian plasticity guides growth of postsynaptic receptor fields and sparse transmitter release stabilises receptor fields by preventing overgrowth. Additionally, a novel mechanism of retrograde signaling was discovered, where direct postsynaptic channelrhodopsin-2 based stimulation, without involvement of presynaptic neurotransmitter release, leads to presynaptic depression. This phenomenon is reminiscent of a known retrograde homeostatic mechanism, of inverted polarity, where neurotransmitter release is upregulated, upon reduction of postsynaptic sensitivity. / Das Phänomen der synaptischen Plastizität bestimmt die Entwicklung funktionaler neuronaler Schaltkreise. Die meisten Neurowissenschaftler betrachten synaptische Plastizität als die neuronal Grundlage von Lernen und Gedächtnis. Es gibt viele Ausprägungsarten synaptischer Plastizität, eine davon ist die sogenannte Hebb’sche Plastizität. Diese ist definiert durch eine aktivitätsinduzierte, langanhaltende Veränderung der Stärke einer synaptischen Verbindung, verursacht durch korrelative Aktivierung der Prä- und der Postsynapse. Zusätzlich ist die Ausbreitung der Hebb’sche Plastizität synapsenspezifisch, d.h. nur die Synapsen, die an der korrelativen Aktivierung teilnehmen, erfahren auch die Veränderung. Das Wachstumssignal breitet sich also nicht auf benachbarte Synapsen aus. Der korrelative Wesenszug der Hebb’schen Plastizität macht sie zu einem naheliegenden zellulären Mechanismus assoziativen Lernens. Es wird angenommen, dass synaptische Aktivität und synaptische Plastizität während der Entwicklung neuronaler Schaltkreise eng gekoppelt sind. Das mechanistische Verständnis dieser Kopplung ist jedoch weitgehend unverstanden. In der vorliegenden Arbeit wurde das lichtaktivierbare Kanalrhodopsin-2 verwendet, um Aktivität an der glutamatergen neuromuskulären Synapse in der lebenden, sich frei bewegenden, Drosophila melanogaster Larve auszulösen. Wenn die Prä- und die Postsynapse korrelativ aktiviert wurden, führte dies zur verstärkten Integration von Glutamatrezeptoren des GluR-IIA Typs in die postsynaptischen Rezeptorfelder, was in einer Erhöhung der postsynaptischer Empfindlichkeit mündete. Dieses Platizitätsphänomen wurde als synapsenspezifisch identifiziert und damit als Hebb’sch. Im Gegenzug, wurde der gleiche Rezeptortyp entfernt, wenn Neurotransmitterfreisetzung nicht zu einer erheblichen Depolarisation der Postsynapse führte. Dieser Mechanismus könnte für die Kontrolle des Rezeptorfeldwachstums verantwortlich sein. Es wurde ein physiologisches Modell erarbeitet, bei dem Hebb’sche Plastizität das Wachstum postsynaptischer Rezeptorfelder während der Entwicklung leitet und sporadische, nicht synchronisierte Neurotransmitterfreisetzung die Rezeptorfeldgröße stabilisiert, indem sie das Wachstum Dieser begrenzt. Zusätzlich wurde eine neue Modalität der synaptischen Plastizität an der neuromuskulären Synapse entdeckt: Ein retrograder Signalweg wird aktiviert wenn die postsynaptische Seite, unter Umgehung der Präsynapse, direkt, lichtinduziert aktiviert wird. Dieser Signalweg führt zur präsynaptischen Depression. Das Phänomen erinnert stark an einen bereits bekannten retrograden homöostatischen Mechanismus, reziproker Polarität, bei dem Neurotransmitter Freisetzung hochreguliert wird, wenn die Empfindlichkeit der Postsynapse verringert wird.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Dopamin, Serotonin und GABA auf das Schlafverhalten von Drosophila melanogaster genauer untersucht. Mit Hilfe von Mutanten in Wiederaufnahmetransportern für Dopamin und Serotonin konnte gezeigt werden, dass Dopamin und Serotonin entgegengesetzte Wirkungen auf die Schlafmenge der Fliegen haben. Dopamin hat eine schlafhemmende, Serotonin eine schlaffördernde Wirkung. Die Nutzung eines neuronal dopamindefizienten Fliegenstammes erweitert diese Erkenntnisse. Die Nutzung von RNAi zur Hinunterregulierung der Rezeptoren für Dopamin brachte keine weiteren Erkenntnisse, da sie zu keinem messbaren Effekt führen. Jedoch ergab eine parallel dazu durchgeführte Hinunterregulierung des GABABR2 Rezeptors, dass dieser maßgeblich für die Aufrechterhaltung des Schlafes in der zweiten Hälfte der Nacht verantwortlich ist. Es konnte gezeigt werden, dass für diese Aufgabe vor allem ihre Expression in den l-LNv Neuronen relevant ist. Dabei ist für die GABABR2 Rezeptoren kein Effekt, für Dopamin und Serotonin nur in geringen Ausmaß ein Effekt auf die Innere Uhr in Form von gering veränderter Periode zu beobachten. Durch eine Kombination der Transportermutanten für Dopamin und Serotonin mit dem intakten, als auch mutierten WHITE Transporter zeigte sich eine interessante Interaktion dieser drei Transporter bei der Regulation der Gesamtschlafmenge, wobei die white Mutation zu einer Reduzierung der Gesamtschlafmenge führt. UPLC Messungen der Stämme ergaben, dass der Effekt von white vermutlich auf dessen Einfluss auf den beta-Alanyldopamingehalt der Fliegen basiert. beta-Alanyldopamin wird bei dem Transport von Dopamin über die Gliazellen durch das Enzym EBONY gebildet, dessen Mutation in der Kombination mit intaktem WHITE und mutiertem Dopamintransporter zu einer drastischen Reduktion des Schlafes während der Nacht führt. Im Rahmen der Untersuchung konnte zudem gezeigt werden, dass entgegen des bisherigen Wissens aus Zellkulturstudien in Drosophila melanogaster kein beta-Alanylserotonin gebildet wird. Möglicherweise wird nur Dopamin, nicht jedoch Serotonin über die Gliazellen recycelt. Dies ist ein interessanter Unterschied, der sowohl eine zeitliche, als auch lokale Feinregulation der Gegenspieler Dopamin und Serotonin ermöglicht. Die Untersuchung der Dimerpartner BROWN und SCARLET zeigte, dass lediglich BROWN zu einer Reduktion des Schlafes führt. Ein Effekt, der auch in einer Fliegenlinie mit spontaner white Mutation beobachtet werden konnte. Die genaue Funktion dieses Heterodimertransporters und seine neuronale Lokalisation wurden im Rahmen dieser Arbeit noch nicht geklärt. Dennoch liegt eine Funktion als Dopamin- oder beta-Alanyldopamintransporter in Gliazellen auf Grund der ermittelten Ergebnisse nahe. Zusätzlich konnte zum ersten Mal in Drosophila melanogaster eine Funktion der Amintransporter bei der Anpassung der Inneren Uhr an extreme kurze bzw. lange Photoperioden gezeigt werden. Eine anatomische Lokalisierung des WHITE Transporters im Gehirn von Drosophila melanogaster, die weitere Charakterisierung der Rolle des WHITE/BROWN Dimers und die Zuordnung bestimmter dopaminerger und serotonerger Neurone bei der Modulation der Aktivitätsmaxima stellen spannende Fragen für zukünftige Arbeiten dar. / The main focus in the present work, was the observation of the influence of dopamine, serotonin and GABA on the sleep behaviour of Drosophila melanogaster. By utilizing mutants for the dopamine transporter as well as the serotonin transporter, it was possible to show, that dopamine and serotonin have opposing effects on the total sleep amount of flies. Dopamine has a sleep inhibiting, serotonin a sleep promoting function. A neuronal dopamine deficient stock complemented those findings. Usage of RNAi to downregulate dopamine receptors did not enhance the information, since no measurable effect could be detected. But in parallel performed experiments with RNAi mediated knockdown of GABABR2 receptors could show its role in the maintenance of sleep during the second half of the night. I could show that especially the expression in the l-LNv is needed for that. In case of the GABABR2 receptors no effect on the period was observed, for dopamine and serotonin only a minor effect on the clock in form of a mild period change accompanied those drastic sleep phenotypes. Combining the amine transporter mutants with functional as well as mutated white led to some interesting observations regarding the interaction of those transporters in regulating total sleep, in which white reduces the total sleep amount. Following up those experiments with UPLC measurements, it was shown that presumably WHITE causes its effect due to its relevance for the amount of beta-alanyldopamine in adult flies. When dopamine is transported into the glia cells, beta-alanyldopamine is synthesized by the enzyme EBONY. The ebony mutant revealed a drastic sleep phenotype when combined with an intact WHITE transporter and a mutated dopamine transporter. This leads to a dramatic decrease of sleep during the night phase. When doing the UPLC measurements it was furthermore revealed, that unexpectedly regarding the knowledge from cell culture experiments, beta-alanylserotonin cannot be detected. Presumably, only dopamine, but not serotonin is recycled by the glia cells. This interesting difference gives space for a temporal as well as for a local fine regulation of the dopamine and serotonin signals. Investigating the dimer partners of WHITE, BROWN and SCARLET, I found that BROWN just as a spontaneous white mutation that I observed, led to a decrease of total sleep. The function of this heterodimer and its neuronal localisation in the brain remains unknown. Regarding the data presented in this work, it is likely that this dimer transports either dopamine or beta-alanyldopamine in glia cells. Furthermore, I could observe that dopamine and serotonin change the ability of the circadian clock to adapt to different photoperiods, a so far unstudied phenotype. 96 An anatomical approach to localize the WHITE transporter in the brain of Drosophila melanogaster and a further characterization of the function of the WHITE/BROWN dimer, with regard to sleep and eventually the mapping of serotonergic and dopaminergic neurons, which modulate the activity peak responses, are questions for future work.

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

To unravel the role of single genes underlying certain biological processes, scientists often use amorphic or hypomorphic alleles. In the past, such mutants were often created by chance. Enormous approaches with many animals and massive screening effort for striking phenotypes were necessary to find a needle in the haystack. Therefore at the beginning chemical mutagens or radiation were used to induce mutations in the genome. Later P-element insertions and inaccurate jump-outs enabled the advantage of potential larger deletions or inversions. The mutations were characterized and subsequently kept in smaller populations in the laboratories. Thus additional mutations with unknown background effects could accumulate. The precision of the knockout through homologous recombination and the additional advantage of being able to generate many useful rescue constructs that can be easily reintegrated into the target locus made us trying an ends-out targeting procedure of the two core clock genes period and timeless in Drosophila melanogaster. Instead of the endogenous region, a small fragment of approximately 100 base pairs remains including an attP-site that can be used as integration site for in vitro created rescue constructs. After a successful ends-out targeting procedure, the locus will be restored with e.g. flies expressing the endogenous gene under the native promoter at the original locus coupled to a fluorescence tag or expressing luciferase. We also linked this project to other research interests of our work group, like the epigenetic related ADAR-editing project of the Timeless protein, a promising newly discovered feature of time point specific timeless mRNA modification after transcription with yet unexplored consequences. The editing position within the Timeless protein is likewise interesting and not only noticed for the first time. This will render new insights into the otherwise not-satisfying investigation and quest for functional important sequences of the Timeless protein, which anyway shows less homology to other yet characterized proteins. Last but not least, we bothered with the question of the role of Shaggy on the circadian clock. The impact of an overexpression or downregulation of Shaggy on the pace of the clock is obvious and often described. The influence of Shaggy on Period and Timeless was also shown, but for the latter it is still controversially discussed. Some are talking of a Cryptochrome stabilization effect and rhythmic animals in constant light due to Shaggy overexpression, others show a decrease of Cryptochrome levels under these conditions. Also the constant light rhythmicity of the flies, as it was published, could not be repeated so far. We were able to expose the conditions behind the Cryptochrome stabilization and discuss possibilities for the phenomenon of rhythmicity under constant light due to Shaggy overexpression. / Um die Rolle einzelner Gene hinter biologischen Prozessen zu entschlüsseln, bedienen sich Wissenschaftler häufig amorpher oder hypomorpher Allele. Diese wurden in der Vergangenheit oft auf Zufall basierend generiert. Gewaltige Ansätze mit zahllosen Tieren unter enormem Selektionsaufwand bei der Suche nach markanten Phänotypen waren notwendig um sprichwörtlich die Nadel im Heuhaufen zu finden. Zunächst wurden chemische Mutagene oder Strahlung verwendet um Mutationen im Genom zu induzieren. Später kamen P-element Insertionen und induziertes unpräzises Herausspringen der Transposons dazu. Das hatte den Vorteil, dass so unter Umstände größere Deletionen oder Inversionen entstanden. Die Mutationen wurden charakterisiert und die Tiere anschließend in kleinen Populationen gehalten. Dadurch konnten sich zusätzliche Mutationen mit möglichen Hintergrundeffekten unbemerkt ansammeln. Ebenso blieben weitere durchaus mögliche Mutationen aufgrund der Mutagene und dem deutlicheren Phänotyp der primären Mutation oftmals unbemerkt. Die Präzision eines Knockouts durch homologe Rekombination und der Vorteil, zusätzlich im Stande zu sein, jedes entworfene Rettungskonstrukt auf einfache Weise wieder einsetzen zu können, überzeugte uns, eine Ends-out Targeting Prozedur mit den zwei Uhr Basisgenen period und timeless in Drosophila melanogaster durchzuführen. Dabei soll ein geplanter Knockout zu einer kompletten Deletion des gesamten Bereichs durch homologe Rekombination führen. Anstelle der endogenen Region verbleibt lediglich ein kleines Fragment von ungefähr 100 Basenpaaren inklusive einer attP-Stelle, die als Insertionsstelle für in vitro hergestellte Konstrukte genutzt werden kann. Angestrebte Ziele sind beispielsweise Fliegen, die das endogene Gen unter der Kontrolle des ursprünglichen Promoters am originalen Lokus gebunden an einen Fluoreszenzmarker oder aber gekoppelt an Luziferase exprimieren. Wir koppelten dieses Projekt zusätzlich mit anderen Forschungsinteressen unserer Arbeitsgruppe, wie zum Beispiel dem epigenetischen ADAR-Editierungsprojekt des Timeless Proteins, einer vielversprechenden Neuentdeckung zeitpunktspezifischer und posttranskriptionaler Modifizierung der timeless mRNA, mit bisher noch unbekannten Folgen. Die Position der Editierung innerhalb des Timeless Proteins ist ebenfalls sehr interessant und nicht zum ersten Mal im Fokus von Wissenschaftlern. Dies wird neue Einblicke in die sonst bislang nicht zufriedenstellende Suche nach funktionell wichtigen Strukturen von Timeless bringen, welche aufgrund der geringen Homologie zu anderen bisher charakterisierten Proteinen bislang nur unzureichend bestimmt werden konnten. Zuletzt beschäftigten wir uns mit der Frage nach der Rolle von Shaggy bezüglich der inneren Uhr. Der Einfluss einer Überexpression oder Herabregulierung von Shaggy auf die Taktung der Uhr ist eindeutig und wurde schon oft beschrieben. Der Einfluss von Shaggy auf Period und Timeless wurde ebenfalls bereits gezeigt, wird jedoch im Falle des letzteren Proteins noch sehr kontrovers diskutiert. Während einige von einem Cryptochrom stabilisierenden Effekt und rhythmischen Tieren in konstanter Beleuchtung aufgrund von Shaggy Überexpression sprechen, zeigen andere einen Abfall des Cryptochromlevels unter eben genau diesen Umständen. Es war uns möglich die Umstände hinter der Cryptochromstabilisierung aufzudecken. Darüber hinaus zeigen wir mögliche Gründe für das Phänomen des Rhythmus im Dauerlicht von Shaggy Überexpressionstieren auf.

The correct regulation of cell growth and proliferation is essential during normal animal development. Myc proteins function as transcription factors, being involved in the con-trol of many growth- and proliferation-associated genes and deregulation of Myc is one of the main driving factors of human malignancies. The first part of this thesis focuses on the identification of directly regulated Myc target genes in Drosophila melanogaster, by combining ChIPseq and RNAseq approaches. The analysis results in a core set of Myc target genes of less than 300 genes which are mainly involved in ribosome biogenesis. Among these genes we identify a novel class of Myc targets, the non-coding small nucleolar RNAs (snoRNAs). In vivo studies show that loss of snoRNAs not only impairs growth during normal development, but that overexpression of several snoRNAs can also enhance tumor development in a neu-ronal tumor model. Together the data show that Myc acts as a master regulator of ribo-some biogenesis and that Myc’s transforming effects in tumor development are at least partially mediated by the snoRNAs. In the second part of the thesis, the interaction of Myc and the Zf-protein Chinmo is described. Co-immunoprecipitations of the two proteins performed under endogenous and exogenous conditions show that they interact physically and that neither the two Zf-domains nor the BTB/POZ-domain of Chinmo are important for this interaction. Fur-thermore ChIP experiments and Myc dependent luciferase assays show that Chinmo and Myc share common target genes, and that Chinmo is presumably also involved in their regulation. While the exact way of how Myc and Chinmo genetically interact with each other still has to be investigated, we show that their interaction is important in a tumor model. Overexpression of the tumor-suppressors Ras and Chinmo leads to tu-mor formation in Drosophila larvae, which is drastically impaired upon loss of Myc. / Die korrekte Regulation von Zellwachstum und Proliferation ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Tieren. Myc-Proteine fungieren als Transkriptions-faktoren, die in die Funktionskontrolle vieler Gene eingebunden sind die eine Rolle bei Zellwachstum und Proliferation spielen. Fehlregulierung von Myc ist ein Hauptfaktor menschlicher Tumorbildung. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit der Identifizierung direkt regulierter Myc Zielgene in Drosophila melanogaster durch Kombination von ChIPseq und RNAseq Analysen. Insgesamt wurde eine Hauptgruppe von weniger als 300 Myc Ziel-genen identifiziert, von denen der Großteil eine Funktion in der Ribosomen Biogenese hat. Unter diesen Genen haben wir eine neue Klasse an Myc Zielgenen identifiziert, die nicht-codierenden „small nucleolar RNAs“ (snoRNAs). In vivo Experimente zeigen, dass der Verlust der snoRNAs nicht nur das Wachstum während der natürlichen Ent-wicklung beeinträchtigt, sondern auch, dass Überexpression verschiedener snoRNAs die Tumorbildung in einem neuronalen Tumormodel begünstigt. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass Myc maßgeblich Ribosomen Biogenese steuert und dass der transformierende Effekt, den Myc in der Tumorentwicklung inne hat, zumindest teilwei-se durch die snoRNAs gesteuert wird. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Interaktion von Myc und dem Zink-Finger Protein Chinmo beschrieben. Co-Immunoprezipitationen der zwei Proteine die unter endogenen und exogenen Bedingungen durchgeführt wurden zeigen, dass sie physisch miteinander interagieren und dass weder Chinmos Zf-Domänen noch seine BTB/POZ-Domäne für diese Interaktion verantwortlich sind. ChIP-Versuche und Myc abhängige Luciferase-Assays zeigen weiterhin, dass Chinmo und Myc gemeinsame Zielgene besitzen und dass Chinmo darüber hinaus wahrscheinlich auch an ihrer Regulation beteiligt ist. Während der genaue Zusammenhang der genetischen Interaktionen von Myc und Chinmo noch ungewiss ist und weiterer Untersuchungen bedarf, kann gezeigt werden, dass die Interaktion der beiden Proteine in einem Tumormodel eine Rolle spielt. Die Tumorbildung die durch Überexpression des Tumorsuppressors Ras zusammen mit Chinmo hervorgerufen wird, wird durch den Verlust von Myc stark reduziert.

Neurodegenerative Erkrankungen des Menschen sind eines der Hauptfelder molekularer neurobiologischer Grundlagenforschung. Um generell molekulare, komplizierte Vorgänge in vivo untersuchen zu können, nutzt man seit geraumer Zeit Modellorganismen wie Caenorhabditis elegans oder Drosophila melanogaster. In der vorliegenden Arbeit wird die Drosophila-Neurodegenerationsmutante loe (löchrig) beschrieben, die als Modell für die Rolle des Cholesterinhaushalts im Bezug auf Neurodegeneration herangezogen werden kann. Die Fliegen dieser Mutante zeigen stark progressive, altersabhängige Degeneration von Neuronen, dabei unterlaufen diese Nervenzellen einen nekrotischenZelltod. Verantwortlich für diese Mutation ist die Insertion eines P-Elementes in einem Intron des Drosophila-g-5'-AMP-aktivierten Proteinkinase- (AMPK)-Gens. Die verschiedenen Spleißprodukte des loe Gens kodieren für die regulatorische g-Untereinheit des AMPK-Komplexes, der , aktiviert durch 5'AMP, energieintensive Prozesse negativ reguliert. Die Spleißform loeI ist durch die P-Element-Insertion betroffen, Anteile des P-Elementes werden in das loeI-Transkript hineingespleißt. Eine neuronale Expression von loeI im loe-Hintergrund führt zur Revertierung des loe-Phänotypes. Mit der Expression anderer Spleißformen kann dieser Effekt nicht erzielt werden. Das LOE I-Protein birgt in seinem N-Terminus eine Reihe möglicher Interaktionstellen mit anderen Proteinen, die den AMPK-Komplex in einen Kontext mit den Proteinen der APP (Amyloid Precursor Proteins) ?Familie stellen oder z. B. Interaktionen mit dem Cytoskelett herstellen können. Eine molekulare Interaktion mit NiPSNAP, einem Protein, dass vermutlich eine Rolle im Vesikelverkehr spielt, konnte nachgewiesen werden. Ein direktes humanes Homolog von LOE I ist nicht bekannt, wohlgleich es im Menschen drei AMPK-g-Untereinheiten gibt, von denen zwei ähnliche Funktionen übernehmen könnten wie LOE I. Die loe-Mutante interagiert genetisch mit der Mutante clb ? columbus, die einen Defekt im Gen der HMG-CoA-Reduktase trägt. Dieses Emzym ist das Schlüsselenzym der Cholesterinbiosynthese. Die Art der Interaktion belegt eine negative Regulierung der HMG-CoA-Reduktase durch die AMPK. So schwächt die clb-Mutation den neurodegenerativen loe-Phänotyp ab, eine Überexpression von clb verstärkt diesen. Eine Verminderung der Neurodegeneration kann auch mit Medikamenten erreicht werden: Statine, potente Hemmer der HMG-COA-Reduktase, reprimieren deutlich den loe-Phänotyp. In loe ist der Cholesterinester-Spiegel auf 40% abgesenkt. Eine weitere genetische Interaktion von loe konnte nachgewiesen werden: Die Mutante für das Drosophila-Homolog von APP (Appl) verstärkt den neurodegenerativen Phänotyp in loe stark, wogegen die Appl-Mutante selbst keine neurodegenerativen Defekte aufweist. Darüberhinaus zeigt die Doppelmutante Defekte, die keine der Einzelmutanten aufweist: Sterilität oder eine extrem kurze Lebensdauer von nur 3-4 Tagen. Diese Interaktion ließ sich auf molekularer Ebene charakterisieren. Die proteolytische Prozessierung von APPL durch Sekretasen ist in loe alteriert. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die loe-Mutation die b-Sekretase aus Vertebraten (BACE) und eine bisher noch nicht beschriebene endogene Sekretase aus Drosophila negativ beeiflusst werden. Ein AMPK-Komplex mit LOE I als g-Untereinheit scheint über den Cholesterinester-Spiegel die Aktivität einer speziellen Untergruppe der Sekretasen zu beeinflussen. Die Missfunktion dieser Sekretasen ist ein kritischer Punkt in der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit. Die loe-Mutation wirft neues Licht auf die bekannten Verbindungen zwischen Cholesterin-Stoffwechsel, Vesikelverkehr und Prozessierung von APP(L). Mit den großen Möglichkeiten, die die Drosophila-Genetik bietet, stellt diese neue Mutante ein weiteres Werkzeug zur Charakterisierung von Therapie-Ansätzen für die Alzheimer-Kankheit dar. Die vorliegende Arbeit belegt um ein weiteres Mal, dass Drosophila ein potentes Modellsystem zur Untersuchung humaner, neurodegenerativer Erkrankungen wie Chorea Huntington, Parkinson oder der Alzheimer Krankheit ist. / Human neurodegenerative diseases are the main topic of molecular neurobiological basic research. To investigate detailed mechanisms in vivo one uses the tool of genetic model organisms like Caenorhabditis elegans or Drosophila melanogaster for quite a long while. This thesis describes the Drosophila neurodegenration mutant löchrig (loe), which can be used as a model for cholesterol metabolism in respect to neurodegeneration. Mutant loe flies show strong and progressive age-dependent degenration of neurons undergoing necrotic cell death. The P-element inserted in an intron of the gene coding for the Drosophila 5'-AMP activated protein kinase (AMPK) complex gamma subunit is responsible for the mutation in loe. The various splice forms of the loe gene code for different regulatory gamma subunits of this complex consisiting of three subunits. The splice form loeI is affected by the P-element insertion, parts of the P-element are spliced into the loeI transkript in the loe mutant. The neuronal expression of one copy of loeI in the mutant background revertes the neurodegenerative phenotype which can not be achieved by expression of one of the other splice forms. The LOE I protein contains in its N-terminus several putative interaction motifs and domaines. These could get a LOE I-containing AMPK complex in context with the APP (amyloid precursor protein) or the cytoskeletton. An interaction with NiPSNAP ? a protein with a putative function in the vesicular transport ? has been proved molecularly. A human homolog of LOE I is not yet known, although there are three different isoforms of a AMPK gamma subunit described in humans. The loe mutant interacts genetically with the columbus (clb) mutant, wich is affected in the gene of the HMG-CoA reductase, the key enzyme in cholesterol biosynthesis. This shown interaction verifies a negative regulation of the HMG-CoA reductase by the AMPK complex in Drosophila. Thus the clb mutation supresses the loe phenotype, an overexpression of clb enhances the neurodegeneration. A supression of the neurodegenerative phenotype can be also achieved by a statin treatment of loe flies. Statins are potent inhibitors of the HMG-CoA reductase. Another genetic interaction exists between loe and the Appl mutant. Appl d, the null mutant of the Drosophila APP homolog, enhances strongly the neurogenerative phenotype of loe, whereas the Appl mutant itself shows no neuronal defects. In addition the double mutant shows defects which none of the single mutants show: sterility of females and a dramatic shortened lifespan of only 3-4 days. This interaction could be characterized on the molecular level: The proteelytic processing of APPL by sectretases is altered in the loe mutant. Both the BACE sectretase from vertebrates and an so far uncharakterized endogenous sectretase in Drosophila are negatively influenced by the loe mutation. An AMPK complex containing LOE I as the gamma subunit seems to regulate the activity of a subgroup of the sectretases via the cholesterolester level. The misfunction of secretases is a crutial point in the pathogenesis of Alzheimer's disease. The loe mutation gives new insights in the already known links between cholesterol homeostasis, vesicular transport, and processing of APP(L). Together with the exstensive tools of Drosophila genetics this new mutant will supply new possibilities to characterize putative therapies to cure Alzheimer's disease. This thesis at another time presents Drosophila as an potent model system for the research on human neurodegenerative diseases like Huntington's disease, Parkinson or Alzheimer's disease.

Die Pilzkörper von Drosophila melanogaster stellen eine für die Lebensfähigkeit dieses Organismus entbehrliche Gehirnstruktur dar. Die Entwicklungsprozesse, die der Bildung dieser zentralnervösen Struktur zugrunde liegen, sind gut erforscht. Die neuronalen Stammzellen, die für die Bildung dieser Gehirnstruktur verantwortlich sind, sind identifiziert und experimentell gut zugänglich. Daher bietet sich die Drosophila-Pilzkörperentwicklung als neurogenetisches Modellsystem an, grundlegende Mechanismen der Gehirnentwicklung durch die Untersuchung von Pilzkörperstrukturmutanten zu erforschen. In dieser Arbeit wurde mushroom bodies undersized P1 (mbuP1) als eine durch Transposon- Insertion in den Casein-Kinase-2ß-Genlokus verursachte, hypomorphe Mutation identifiziert, die zu einer starken Verringerung der Anzahl der die Pilzkörper bildenden intrinsischen Neurone führt. Eine Reversion des mbuP1-Pilzkörperphänotyps konnte unter anderem durch die Expression von Casein-Kinase-2ß-(CK2ß)-Transgenen im mbuP1-Hintergrund erzielt werden. Durch Rekombination wurde ein fertiler mbuP1-Stamm etabliert, der nun die Untersuchung der zellulären mbuP1-Defekte ermöglicht. Eine partielle, letale Deletion der CK2ß-Transkriptionseinheit wurde erzeugt. Die Letalität dieser Deletion konnte sowohl durch ein genomisches CK2ß-Transgen als auch durch die ubiquitäre Expression einer CK2ß-cDNA gerettet, und hierdurch die essentielle Funktion der CK2ß-Transkriptionseinheit in Drosophila belegt werden. Durch die ubiquitäre Expression von in vitro-mutagenisierten CK2ß-cDNAs im CK2ß-Letalhintergrund wurde gezeigt, daß die Phosphorylierung der regulatorischen CK2ß-Untereinheit durch die katalytisch aktive CK2α-Untereinheit kein lebensnotwendiger Prozess ist. Gleichartige Experimente wurden zur Untersuchung der funktionellen Bedeutung eines CK2ß-Zinkfingermotivs und eines CK2ß-Destruction-Box-Motivs durchgeführt. Diese legen nahe, daß das Zinkfingermotiv im Gegensatz zum Destruction-Box-Motiv für die in vivo-Funktion der CK2ß-Untereinheit essentiell ist. Expression der in vitro-mutagenisierten CK2ß-cDNAs im mbuP1-Hintergrund werden die funktionelle Bedeutung der ausgetauschten Aminosäuren für die Pilzkörperentwicklung zeigen. Eine letale genetische Interaktion von mbuP1 mit einer Mutation des Drosophila-MAP-Kinase-Gens rolled (rlSem) und eine lebensfähige Interaktion von mbuP1 mit einer Mutation des Drosophila-S6-Kinase-p90rsk-Gens ignorant (ignP1), bei der Flügel- und Augenent-wicklungsdefekte zu beobachten sind, wurden gefunden. Es wurde zudem gezeigt, daß rlSem als Suppressor des Pilzkörperphänotyps eines schwächeren mbu-Allels wirkt. Hierdurch konnte eine Beteiligung der Casein-Kinase-2 an MAP-Kinase-Signalübertragungswegen wahrscheinlich gemacht werden. / Mushroom bodies are dispensable for the developing and adult Drosophila fly. The developmental processes underlying mushroom body formation are well studied, the neural stem cells responsable for their development are identified and experimentally well accessable. Therefore Drosophila mushroom body development can be used as a powerful neurogenetic model system to find out about fundamental mechanisms underlying brain development by studying mutant flies showing aberrant mushroom body development. In the course of this work, mushroom bodies undersized P1 (mbuP1) was identified as a hypomorphic casein kinase 2ß-allele (CK2ß) caused by the insertion of transposable elements in the casein kinase 2ß gene locus. The mbuP1-mutation leads to a drastic reduction of the number of intrinsic neurons forming the adult mushroom body. Expression of transgenic CK2ß in a mbuP1-mutant background led to a reversion of the mbuP1-associated mushroom body phenotype. Fertility of mbuP1-flies could be partially restored by recombining the original mbuP1{P3843/2}-chromosome with a w1118-chromosome. This will allow future studies to identify the cellular defects caused by mbuP1. A partial deletion of the CK2ß gene causes lethality which could be rescued by either a genomic CK2ß-transgene or by ubiquitous expression of a CK2ß-cDNA. Therefore, CK2ß has been shown to be an essential gene in Drosophila. By ubiquitous expression of in vitro mutagenized CK2ß-cDNAs in a CK2ß-lethal background, a non-essential role of phosphorylation of the regulatory CK2ß-subunit by the catalytically active CK2α-subunit could be shown. Similar experiments were performed to examine the role of a CK2ß-zincfinger motif and a CK2ß-destruction-box motif. The obtained results suggest a non-essential in vivo function for the destruction-box motif and an essential in vivo function for the zincfinger-motif. Expression of the in vitro mutagenized CK2ß-cDNAs in a mbuP1-background will reveal the functional significance of the substituted amino acids for mushroom body development. Performed genetic interaction studies showed a lethal interaction of mbuP1 with a mutation in the Drosophila-MAP-kinase gene rolled (rlSem) and a viable genetic interaction with a mutation in the Drosophila-S6-kinase-p90rsk gene ignorant (ignP1) which revealed defects in wing formation and eye development. It also could be shown that rlSem acts as a suppressor of the mushroom body phenotype associated with a weaker mbu-allele. These observations point towards a role of casein kinase 2 in MAP-kinase signalling.

Tübingen, Univ., Diss., 2007.

Zsfassung in engl. Sprache. - Würzburg, Univ., Diss., 2008

Dresden, Techn. Univ., Diss., 2005.