Wie interagieren zentrale und periphere Uhren und das endokrine System, um Verhalten zeitlich zu steuern? Eine neurogenetische Analyse am Modell des Schlupfs von Taufliegen (Drosophila) .
Biochemie und Physiologie der Tiere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um zu überleben, stimmen Tiere Entwicklung und physiologische Aktivität der verschiedenen Körpersysteme zeitlich aufeinander ab. Gleichzeitig passen sie ihr Verhalten und ihre physiologische Aktivität an die zeitliche Struktur der Umwelt an. Die zeitliche Abstimmung und Synchronisierung von Körpersystemen und Verhalten erfordert einen Zeitgeber (zentrale und periphere Innere Uhren) und ein integrierendes Kommunikationssystem (das neuroendokrine System). Allerdings wissen wir erstaunlich wenig über die komplexen Wege und die zugrunde liegenden molekularen und zellulären Mechanismen, durch die endogene Uhren und neuroendokrine Systeme miteinander interagieren. Hier haben wir den Schlupfrhythmus Drosophila als Modell verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen zentralen und peripheren Uhren, Entwicklungs- und cirkadianen Zeitgebern und dem neuroendokrinen System zu untersuchen. Frühere Arbeiten zeigten bereits, dass für die zeitliche Steuerung des Schlupfs eine zentrale Uhr im Gehirn und eine periphere Uhr in der Prothorakaldrüse (PD), die Ecdysteroide produziert, erforderlich sind. Neuronen, die das Peptid PTTH produzieren, koppeln diese beiden Uhren und erhalten Eingang von kleinen ventralen lateralen Neuronen (sLNv), Schrittmacherneuronen der zentralen Uhr. Im Rahmen des Projekts konnten wir erfolgreich herausfinden, wann während der Entwicklung und wann während des Tages die PTTH Neuronen aktiv sind. Es zeigte sich, dass ein PTTH Signal am Ende der Puppenentwicklung für einen rhythmischen Schlupf erforderlich ist. Der PTTH-Signalweg scheint in der frühen Puppenentwicklung inaktiv zu sein, wird aber zwei Tage vor Schlupf cirkadian aktiv. Wir fanden auch Hinweise darauf, dass die Verbindung von sLNv- zu PTTH-Neuronen zur PD der einzige erforderliche neuroendokrine Weg ist, der die Uhren für das Schlupf-Timing koppelt. Juvenilhormon und Insulin, andere wichtige endokrine Entwicklungssignale neben den Ecdysteroiden, scheinen hierbei nicht beteiligt, ebensowenig wie die PDF-exprimierenden Tri- Neurone. PTTH-Neurone tragen offensichtlich Rezeptoren für weitere von Uhrneuronen exprimierte Peptide, von denen jedoch keines die Schlupfrhythmik zu beeinflussen scheint. Das Eklosionshormon (EH) ist ein Schlüsselsignal für die Auslösung und Steuerung der Schlupfmotorik. Wir konnten mit transsynaptischen Tracermethoden zeigen, dass sLNvs und mehrere andere Untergruppen von Uhrneuronen präsynaptisch zu EH-Neuronen sind. Außerdem exprimieren EH-Neuronen Rezeptoren für verschiedene Peptide, die auch von Uhrneuronen exprimiert werden. Die identifizierten Verbindungen könnten für die Schlupfrhythmik wichtig sein, da das Ausschalten des gesamten zentralen Uhrnetzwerks oder der PDF-positiven Neuronen zu Schlupfarhythmie führte. Das Ausschalten anderer einzelner Untergruppen von Uhrneuronen hatte dahingegen kaum Auswirkungen. Mit dem gleichen Ansatz konnten wir auch periphere sensorische Neuronen als Modulatoren der EH-Neuronenaktivität identifizieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen die Schlüsselrolle der sLNv für die Schlupfrhythmik und weisen PTTH eine Funktion als cirkadianem Zeitgeber in Drosophila zu. Ein wichtiger Befund ist die Identifizierung eines auch in Uhrneuronen exprimierten Peptids als potenzielles Schlüsselsignal, durch das das Gehirn den Schlupf hemmen oder verzögern könnte; ein Ergebnis, das wir in Zukunft weiter verfolgen möchten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Natural Zeitgebers Under Temperate Conditions Cannot Compensate for the Loss of a Functional Circadian Clock in Timing of a Vital Behavior in Drosophila. Journal of Biological Rhythms, 36(3), 271-285.
Ruf, Franziska; Mitesser, Oliver; Mungwa, Simon Tii; Horn, Melanie; Rieger, Dirk; Hovestadt, Thomas & Wegener, Christian
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A rhythmic temporal pattern of PTTH signaling and its modulation during pupal-adult transition in Drosophila. 114. Annual Meeting of the German Zoological Society Bonn.
Amini E. & Wegener C.
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Chemoconnectomics and timing of PTTH signaling during eclosion gating in Drosophila. Neurofly 2022, St. Malo, France.
Amini E., Stanewsky R., Zandawala M. & Wegener C.
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The tracheal dendrite neurons of Drosophila modulate eclosion behaviour but not its rhythmicity. 114. Annual Meeting of the German Zoological Society Bonn.
Grimm S., Amini E., Zandawala M. & Wegener C.
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Timed receptor tyrosine kinase signaling couples the central and a peripheral circadian clock inDrosophila. Cold Spring Harbor Laboratory.
Cavieres-Lepe, Javier; Amini, Emad; Nässel, Dick R.; Stanewsky, Ralf; Wegener, Christian & Ewer, John
