Physiologie und Regulation der Ausschüttung von Neuropeptidhormonen des Zentralen Nervensystems der Taufliege Drosophila melanogaster
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neuropeptide sind die diverseste Gruppe chemischer Botenstoffe. Sie steuern grundlegende physiologische Prozesse und Verhaltensweisen, und können als Hormone in die Zirkulation oder als lokale Signalstoffe im Nervensystem freigesetzt werden. Zur Untersuchung neuropeptiderger Systeme sind Insekten hervorragend geeignet, da bei ihnen das Nervensystem aus einer im Vergleich zum menschlichen Gehirn millionenfach geringeren Zahl an Nervenzellen besteht, die darüber hinaus individuell identifizierbar sind. Trotzdem besitzen Insekten eine vergleichbar hohe Anzahl an Neuropeptiden wie der Mensch. In diesem Projekt sind wir am Beispiel der Taufliege Drosophila melanogaster, einem genetischen Modellorganismus, der Frage nachgegangen, i) welche funktionelle Rolle Neurotransmitter und andere Faktoren bei der Freisetzung von Peptidhormonen spielen, und ii) welchen Einfluss Prozessierungsenzyme auf die Peptidverteilung haben. Dabei haben wir für die Taufliege entwickelte genetische Werkzeuge mit optischen und massenspektrometrischen Verfahren kombiniert. Zu Beginn haben wir die Neuroarchitektur peptiderger und aminerger Systeme dreidimensional und detailliert im larvalen Ventralganglion charakterisiert, und Ein- und Ausgangsbereiche räumlich definiert. Damit lassen sich nun gezielt Eingangsneuronen anatomisch wahrscheinlich machen. Unsere Ergebnisse legen unter anderem nahe, dass Volumentransmission ein Hauptweg für die peptiderge Kommunikation im ZNS ist. Mittels in vitro und in situ Calcium imaging haben wir funktionelle Neurotransmitterrezeptoren auf einer ausgewählten Gruppe peptiderger Neurone charakterisiert. Zusammen mit den neuroanatomischen Arbeiten weisen die erhaltenen Ergebnisse unter anderem darauf hin, dass an der Häutungssteuerung beteiligte peptiderge Neurone direkten Eingang von sensorischen Neuronen an der Körperwand erhalten könnten. Deswegen haben wir neue transgene Fliegenlinien hergestellt, mit deren Hilfe sich dieser und andere möglichen präsynaptischen Eingänge optisch untersuchen lassen. Um die peptidhormonalen Möglichkeiten der Taufliege zu charakterisieren, haben wir das Peptidom der Neurohämalorgane des Zentralen Nervensystems (ZNS) sowie der endokrinen Peritrachealzellen massenspektrometrisch in verschiedenen Drosophila-Arten im Massenbereich <2,5 kDa charakterisiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das hormonale Peptidom in diesem Massenbereich trotz einem umfangreichen Umbau der Neurohämalorgane während der Metamorphose gleichbleibt. Das hormonale Peptidom scheint erstaunlicherweise während der 50 Millionen Jahre dauernden Evolution der Taufliegen unverändert geblieben zu sein, was wir durch eine bioinformatische Genomanalyse und Massenspektrometrie zeigen konnten. Aufbauend auf diesen Ergebnissen haben wir eine Methode zum quantitativen direkten massenspektrometrische Profiling entwickelt und validiert. Mit dieser Methode konnten wir zeigen, dass die Prohormonkonvertase 2 (AMON) ein Schlüsselenzym bei der Prozessierung von Peptidhormonen darstellt. Dies liefert eine biochemische Erklärung für bisherige genetische Studien, die Störungen im Wachstum, Metabolismus und bei der Häutung bei amon-defizienten Fliegen nachgewiesen haben, typischen Prozessen die von Neuropeptiden gesteuert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2006) Biology of the CAPA neuropeptides in insects. Cellular and Molecular Life Sciences 63: 2477-2490
Predel R, Wegener C
- (2006) Direct mass spectrometric profiling and fragmentation in larval peptide hormone release sites of Drosophila melanogaster reveals tagma-specific peptide expression and differential processing. Journal of Neurochemistry 96:1362-1374
Wegener C, Reinl T, Jänsch L, Predel R
- (2006) Morphology and metamorphosis of the peptidergic Va neurons and the median nerve system of the fruit fly, Drosophila melanogaster. Cell and Tissue Research 326: 187-199
Santos JG, Pollak E, Rexer KH, Molnar L, Wegener C
- (2007) A simple purification protocol for the detection of peptide hormones in the hemolymph of individual insects by MALDI-TOF mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry 21: 23-28
Fastner S, Predel R, Kahnt J, Schachtner J, Wegener C
- (2007) Comparative neuroanatomy and genomics of hugin and pheromone biosynthesis activating neuropeptide (PBAN). FLY 1:228-231
Bader R, Wegener C, Pankratz MJ
- (2007) Neuroarchitecture of peptidergic systems in the larval ventral ganglion of Drosophila melanogaster. PLoS ONE 2: e695 (17pp + supplements)
Santos JG, Vömel M. Struck R, Homberg U, Nassel DR, Wegener C
- (2007) Neurotransmitter-induced changes in the intracellular calcium concentration suggest a differential central regulation of CCAP neuron subsets in Drosophila. Developmental Neurobiology 67: 792-809
Vömel M, Wegener C
- (2008) A large population of diverse neurons in the Drosophila central nervous system expresses short neuropeptide F, suggesting multiple distributed peptide functions. BMC Neuroscience 9: 90 (35pp + supplements)
Nässel DR, Santos JG, Enell LE, Gustafsson E, Wegener C, Johard HAD
- (2008) Molecular evolution of neuropeptides in the genus Drosophila. Genome Biology 9: R131 (19pp. + supplements)
Wegener C, Gorbashov A
- (2008): Neuroarchitecture of aminergic systems in the larval ventral ganglion of Drosophila melanogaster. PLoS ONE 2: e1848 (18pp + supplements)
Vömel M, Wegener C
