The brain is the central organ of an animal controlling its behavior. It integrates internal information from the body and external stimuli from the surrounding environment to mediate an appropriate behavioral response. Since the environment is constantly changing, a flexible adjustment of the brain to new conditions is crucial for the animals’ fitness. The ability of the nervous system to adapt to new challenges is defined as plasticity. Over the last few decades great advances have been made in understanding the cellular and molecular mechanisms underlying neuronal plasticity. Plasticity may refer to structural changes physically remodeling the neuronal circuit, or to functional adaptations which are manifested in modified synaptic transmission, and in altered response and firing properties of single neurons. These structural and functional modifications are mediated by a complex interplay of environmental stimuli, intracellular signal transduction cascades, protein modifications, gene translation and transcription, and epigenetic gene regulatory mechanisms. However, especially the molecular mechanisms of environmentally-induced structural neuronal plasticity are still poorly understood.
In this thesis the honey bee was used as an innovative model organism to investigate this issue. The honey bee with its rich behavioral repertoire, highly sophisticated and plastic neuronal system, sequenced genome and full epigenetic machinery is well suited for studying the molecular underpinnings of environmentally-induced neuronal plasticity. Adult honey bees progress through a series of tasks within the dark hive until after about three weeks they start with foraging activities in the external world. The transition from in-hive to outside tasks is associated with remarkable structural neuronal plasticity. Subdivisions of the mushroom body, a brain region related to higher cognitive functions, are increased in volume. The volume expansion is mediated by a remarkable outgrowth of the dendritic network of mushroom body intrinsic neurons, so called Kenyon cells. In parallel, prominent synaptic structures, referred to as microglomeruli, are pruned. Most interestingly for this thesis, the pruning of microglomeruli and the dendritic expansion in Kenyon cells can be induced by a simple light exposure paradigm.
In the first chapter of the present thesis I used this paradigm to induce synaptic plasticity in the mushroom bodies under controlled lab conditions to search for correlating molecular changes which possibly mediate the observed plasticity. I compared the brain transcriptome of light-exposed and dark-kept control bees by whole transcriptome sequencing. This revealed a list of differentially expressed genes (DEGs). The list contains conserved genes which have reported functions in neuronal plasticity, thereby introducing them as candidate genes for plasticity in the honey bee brain. Furthermore, with this transcriptomic approach I discovered many candidate genes with unknown functions or functions so far unrelated to neuronal plasticity suggesting that these novel genes may have yet unrecognized roles in neuronal plasticity. A number of DEGs are known to be methylated or to exert epigenetic modifications on themselves speaking for a strong impact of epigenetic mechanisms in light-induced structural plasticity in the honey bee brain. This notion is supported by a differential methylation pattern of one examined DEG between light-exposed and dark-kept bees as shown in this thesis. Also a plasticity-related microRNA, which is predicted to target genes associated with cytoskeleton formation, was found to be upregulated in light-exposed bees. This speaks for a translation regulatory mechanism in structural plasticity in the honey bee.
Another interesting outcome of this study is the age-dependent expression of DEGs. For some plasticity-related DEGs, the amplitude of light-induced expression differs between one- and seven-day-old bees, and also the basal expression level of many DEGs in naive dark-kept control bees significantly varies between the two age groups. This suggests that the responsiveness of plasticity-related genes to environmental stimuli is also under developmental (age-dependent) control, which may be important for normal maturation and for the regulation of age-related changes in behavior. Indeed, I was able to demonstrate in phototaxis experiments that one- and seven-day-old bees show different behaviors in response to light exposure and thus the correlating age-dependent transcriptional differences may serve as mechanisms promoting age-related changes in behavior.
Together the results of the transcriptomic study demonstrate the successfulness of my approach to identify candidate molecular mechanisms for environmentally-induced structural plasticity in the honey bee brain. Furthermore, the thesis provides seminal evidence for the implication of DNA methylation in this process.
To better understand the role of DNA methylation for neuronal and behavioral plasticity in the honey bee, the second chapter of the thesis aims at characterizing this molecular process under more natural conditions. Therefore, I examined the expression of the DNA methyltransferase 3 (DNMT3) and of Ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase (TET) between in-hive bees and foragers. DNMT3 is responsible for DNA de novo methylation, whereas TET promotes DNA demethylation by converting methylcytosine (5mC) to hydroxymethylcytosine (5hmC). The data suggest that age and experience determine the expression of these two epigenetic key genes. Additionally, in this context, two examined DEGs are shown to be differentially methylated between nurses and foragers. One of these two DEGs, the plasticity related gene bubblegum (bgm), also exhibits an altered DNA methylation pattern in response to light exposure. Hence, these results of my thesis provide additional evidence for the importance of DNA methylation in behavioral and neuronal plasticity.
Results from the second chapter of this thesis also suggest additional functions of DNMT3 and TET to their traditional roles in DNA methylation/demethylation. I show that TET is far more expressed in the honey bee brain than DNMT3. This stands in contrast to the relative scarcity of 5hmC compared to 5mC and points at extra functions of this gene like RNA modifications as reported for Drosophila. Antibody staining against the DNMT3 gene product revealed an unexpected rare localization of the enzyme in the nucleus, but a surprisingly high abundance in the cytoplasm. The role of cytoplasmic DNMT3 is unknown. One possibility for the high abundance in the cytoplasm is a regulatory mechanism for DNA methylation by cytoplasmic-nuclear trafficking, or an additional function of DNMT3 in RNA modification, similar to TET.
Altogether, this thesis points at future research directions for neuronal plasticity by providing promising evidence for the involvement of epigenetic mechanisms and of a number of new candidate genes in environmentally induced structural plasticity in the honey bee brain. Furthermore, I present data suggesting so far unrecognized functions of DNMT3 which certainly need to be experimentally addressed in the future to fully understand the role of this enzyme. / Das Gehirn ist das zentrale Organ zur Steuerung des Verhaltens von Tieren. Es integriert körperinterne Informationen mit Umweltreizen und sorgt somit für eine Anpassung des Verhaltens an die jeweilige Situation. Diese hohe Flexibilität des Gehirns ist ein entscheidender Überlebensfaktor in einer sich ständig wandelnden Umwelt. Die Fähigkeit des Nervensystems, sich an wechselnde Bedingungen anpassen zu können, wird als Plastizität bezeichnet. In den vergangen Jahrzehnten wurden große Fortschritte zur Identifikation von zellulären und molekularen Mechanismen neuronaler Plastizität erzielt. Neuronale Plastizität beinhaltet zum einen physische Veränderung der Struktur neuronaler Netzwerke, und zum anderen funktionale Modifikationen der internen Antworteigenschaften und synaptischen Übertragung eines Neurons. Diese Veränderungen werden durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen Umweltreizen, intrazellulären Signalkaskaden, Proteinmodifikationen, Gentranslation und -Transkription, sowie epigenetischer Genregulation gesteuert. Die genauen Mechanismen umweltbedingter struktureller Plastizität sind jedoch immer noch nicht vollständig geklärt.
In der vorliegenden Doktorarbeit bediene ich mich der Honigbiene als innovativen Modellorganismus, um dieses Thema zu untersuchen. Die Honigbiene eignet sich durch ihr vielfältiges und komplexes Verhalten, ihr hochentwickeltes und plastisches Nervensystem, ihr sequenziertes Genom, sowie durch den Besitz einer vollständig epigenetischen Maschinerie besonders gut zur Untersuchung der molekularen Mechanismen umweltbedingter neuronaler Plastizität. Honigbienen führen die ersten drei Wochen ihres Lebens verschiedene Arbeiten innerhalb des dunklen Bienenstocks aus, ehe sie anschließend für den Rest ihres Lebens nach Nahrung außerhalb des Stocks suchen. Der Wechsel vom Innen- zum Außendienst korreliert mit plastischen Veränderungen des Gehirns. Subkompartimente des Pilzkörpers, einer Hirnstruktur, die mit höherer Kognition assoziiert wird, nehmen im Volumen zu. Diese Volumensexpansion lässt sich durch eine wachsende dendritische Verzweigung von Kenyonzellen, welche die intrinsischen Neuronen der Pilzkörper darstellen, erklären. Gleichzeitig findet eine Eliminierung von synaptischen Komplexen, sogenannten Mikroglomeruli, statt. Besonders interessant für diese Doktorarbeit ist die Tatsache, dass die strukturelle Plastizität der Mikroglomeruli und der dendritischen Verzweigungen bereits durch ein einfaches Lichtexponierungsprotokoll induziert werden kann.
In dieser Doktorarbeit löse ich durch das Lichtprotokoll synaptische Plastizität unter standardisierten Laborbedingungen aus, um nach zugrundeliegenden molekularen Veränderungen während dieses Vorgangs zu suchen. Ein Vergleich des Transkriptoms zwischen lichtbehandelten und dunkel gehaltenen Bienen mittels Transkriptom-Sequenzierung beider Gruppen erbrachte mehrere differentiell exprimierte Gene (DEGs). Die Liste der DEGs enthält einige konservierte Gene, denen bereits eine Funktion in neuronaler Plastizität nachgewiesen wurde und daher als Kandidatengene für umweltbedingte synaptische Plastizität in der Honigbiene infrage kommen. Außerdem konnten mehrere DEGs ohne bekannten Bezug zu neuronaler Plastizität, oder mit bisher unbekannter Funktion, identifiziert werden, was die Möglichkeit einer bisher unentdeckten Rolle dieser Gene in neuronaler Plastizität impliziert. Des Weiteren sind einige der DEGs in epigenetische Prozesse involviert und aus anderen Studien ist bekannt, dass weitere DEGs Methylierungen aufweisen. Dies weist auf einen starken Einfluss epigenetischer Prozesse bei lichtinduzierter struktureller Plastizität in der Honigbiene hin. Diese Vermutung wird durch die differentielle Methylierung eines plastizitäts-assoziierten DEGs zwischen lichtexponierten und dunkelgehalten Bienen bekräftigt. Ferner ist eine microRNA in lichtbehandelten Bienen hochreguliert, welche als vorhergesagte Ziele Gene zur Zytoskelettformation hat. Dies spricht für einen translationsregulatorischen Mechanismus im Zusammenhang mit struktureller Plastizität in der Honigbiene.
Ein weiteres interessantes Ergebnis dieser Arbeit ist der starke Alterseinfluss auf die Expression der identifizierten DEGs. Bei einigen DEGs ist die Amplitude der lichtinduzierten Expression bei sieben Tage alten Bienen höher als bei einem Tag alten, und das Grundexpressionsniveau vieler DEGs in den naiven, dunkel gehaltenen Kontrollbienen unterscheidet sich zwischen den beiden Altersklassen. Dies lässt vermuten, dass die Expression von Plastizitätsgenen als Antwort auf Umweltreize ebenfalls durch ein internes Entwicklungsprogramm beeinflusst wird, was wichtig für eine normale Reifung, sowie zur Regulation altersabhängigen Verhaltens sein könnte. Tatsächlich weist diese Arbeit bei Phototaxis-Experimenten Verhaltensunterschiede zwischen einen- und sieben Tage alten Bienen auf, welche mit transkriptionellen Unterschieden zwischen den beiden Altersklassen korrelieren, die somit wiederum als molekularer Mechanismus zur Steuerung des altersabhängigen Verhaltens in Frage kommen.
Zusammengefasst bestätigen die Ergebnisse aus den Transkriptomstudien den Erfolg meines experimentellen Ansatzes zur Identifikation molekularer Kandidatenmechanismen für umweltbedingte strukturelle Plastizität im Honigbienengehirn. Zudem liefern die Ergebnisse der Transkriptions-Sequenzierung einen deutlichen Hinweis auf den Einfluss von DNA-Methylierung auf strukturelle neuronale Plastizität.
Um die Rolle von DNA-Methylierung im Zusammenhang mit neuronaler- und Verhaltensplastizität besser zu verstehen, zielt das zweite Kapitel dieser Arbeit auf eine genauere Charakterisierung dieses epigenetischen Vorgangs in einem natürlicheren Kontext ab. Dazu wurde die Expression der DNA Methyltransferase 3 (DNMT3) und von Ten-eleven translocation Methylcytosine Dioxygenase (TET) zwischen Bienen im Innen- und Außendienst verglichen. DNMT3 ist zuständig für die de novo DNA-Methylierung, wohingegen TET DNA durch die Konvertierung von methylierten Cytosin (5mC) in hydroxymethyliertes Cytosin (5hmC) demethyliert. Die Ergebnisse dieses Versuchs deuten auf eine altersabhängige, aber auch auf eine umweltbedingte Expression dieser beiden epigenetischen Schlüsselgene hin. Zusätzlich sind zwei untersuchte DEGs in diesem Versuchsaufbau differentiell methyliert, wobei eines dieser Gene mit Plastizitätsbezug, bubblegum (bgm), bereits in den Lichtexperimenten als differentiell methyliert charakterisiert wurde. Dadurch wird der Verdacht des Einflusses von DNA-Methylierung bei neuronaler- und Verhaltensplastizität weiter verstärkt.
Resultate der Versuche im zweiten Kapitel lassen weitere Funktionen von DNMT3 und TET über ihre traditionelle Rolle in DNA-Methylierung/Demethylierung hinaus vermuten. In dieser Arbeit ist TET im Honigbienengehirn weit mehr exprimiert als DNMT3. Das steht in starkem Kontrast zu dem relativ geringen Vorkommen von 5hmC im Vergleich zu 5mC und deutet auf zusätzliche Funktionen von TET in der Honigbiene hin, z.B. bei RNA-Modifikationen wie es bei Drosophila nachgewiesen wurde. Eine Antikörperfärbung gegen DNMT3 zeigt eine unerwartet geringe Konzentration dieses Enzyms im Zellkern, dafür aber ein relativ starkes Vorkommen im Zytoplasma. Die Funktion von zytoplasmatischem DNMT3 ist unbekannt, könnte aber einen regulatorischen Mechanismus der DNA-Methylierung durch zytoplasmatisch-nukleare Translokation des Enzyms darstellen, oder aber auf eine zusätzliche Rolle des Proteins bei RNA-Modifikationen, ähnlich wie für TET, hinweisen.
Abschließend lässt sich sagen, dass diese Doktorarbeit, durch die vielversprechende Identifizierung von epigenetischen Mechanismen und von aussichtsreichen Kandidatengenen für strukturelle Plastizität im Honigbienengehirn, auf neue Wege in der zukünftigen Erforschung neuronaler Plastizität weist. Des Weiteren präsentiere ich Daten, welche auf bisher unbekannte Funktionen von DNMT3 hinweisen und eine weitere Erforschung dieses Enzyms nötig machen um seine Rolle vollständig zu verstehen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:13846 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Becker, Nils |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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