TY  - THES
A1  - Beck, Sebastian
T1  - Using optogenetics to influence the circadian clock of \(Drosophila\) \(melanogaster\)
T1  - Die Verwendung der Optogenetik zur Beeinflussung der circadianen Uhr von \(Drosophila\) \(melanogaster\)
N2  - 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.
N2  - 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.
KW  - Chronobiologie
KW  - Optogenetik
KW  - Taufliege
KW  - Optogenetics
KW  - Chronobiology
KW  - Channelrhodopsin
KW  - Drosophila melanogaster
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-184952
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gehring, Jennifer
T1  - Functional analysis of the latrophilin homolog dCirl in Drosophila melanogaster
T1  - Funktionelle Analyse des latrophilin Homologs dCirl in Drosophila melanogaster
N2  - Latrophilin, alternatively named calcium-independent receptor of α-latrotoxin (CIRL), resembles a prototype of the adhesion class G-protein coupled receptors (GPCRs). Initially identified as a high-affinity receptor for α-latrotoxin, a component of the black widow spider, latrophilins are now associated with various distinct functions, such as synaptic exocytosis, tissue polarity and fertility (Tobaben et al., 2002; Langenhan et al., 2009; Promel et al., 2012). Despite these exploratory efforts the precise subcellular localisation as well as the endogenous ligand of CIRL still remains elusive. In this work genetic experiments, imaging approaches and behavioural studies have been used to unravel the localisation and physiological function of the latrophilin homolog dCirl in Drosophila melanogaster. Containing only one latrophilin homolog together with its genetic accessibility and well-established transgenic approaches, Drosophila seemed an ideally suited model organism. The present study showed that dCirl is widely expressed in the larval central nervous system including moto- and sensory neurons. Further, this work revealed that removal of the latrophilin homolog does not greatly affect synaptic transmission but it seems that aspects of the postsynaptic structural layout are controlled by dCIRL in the fruit fly. Additionally, dCirl expression at the transcriptional level was confirmed in larval and adult chordotonal organs, specialised mechanosensors implicated in proprioception (Eberl, 1999). Expression of dCIRL at the protein level could not yet been confirmed in moto- and sensory neurons likely due to low endogenous expression. However, behavioural studies using dCirl knockout mutant larvae indicated a putative mechanosensory function of dCIRL regarding touch sensitivity and locomotion behaviour.
The second part of this thesis presents a strategy to examine interactions between several presynaptic proteins in living cells. The attempt described in this work is based on the discovery that GFP when split into two non-fluorescent fragments can form a fluorescent complex. The association of the fragments can be facilitated by fusing them to two proteins that interact with each other. Therefore, the split GFP method enables direct visualization of synaptic protein interactions in living cells. In initial experiments I could show that full length reporter protein fusions with n-Synaptobrevin (n-Syb), Synaptotagmin (Syt) and Syntaxin (Syx) allow expression in Drosophila and confirmed that fusion to either end of each synaptic protein did not impair expression or influence the viability of transgenic flies. Further, transgenes containing protein fusions of Syx, Syt, and n-Syb with split GFP fragments were established in previous studies (Gehring, 2010). The present work characterises the interaction of these protein fusions during different stages of synaptic vesicle turnover at active zones such as synaptic vesicle docking at the presynaptic membrane and vesicle fusion. These results suggest that the spGFP assay seems only partly suitable for resolving fast and transient protein-protein interactions at larval Drosophila active zones in vivo.
N2  - Latrophilin, auch als Calcium-unabhängiger Rezeptor für α-Latrotoxin (CIRL) bezeichnet, repräsentiert einen Prototyp der  Adhäsions G-Protein gekoppelten Rezeptorklasse. Ursprünglich als hoch-affiner Rezeptor für α-Latrotoxin entdeckt, werden Latrophiline heute mit zahlreichen verschiedenen Funktionen, wie synaptischer Exozytose, Gewebepolarität und Fertilität assoziiert (Tobaben et al., 2002; Langenhan et al., 2009; Promel et al., 2012). Trotz dieser Fortschritte sind die genaue subzelluläre Lokalisation sowie der endogene Ligand noch weitgehend unbekannt. Diese Studie verwendet genetische Ansätze, bildgebende Verfahren und Verhaltensstudien, um die Lokalisation und physiologische Funktion des Latrophilinhomologs dCirl in Drosophila melanogaster aufzuklären. Die Tatsache, dass Drosophila nur ein einziges Latrophilin Homolog besitzt, zusammen mit den genetischen Möglichkeiten und den sehr gut etablierten transgenen Methoden, machen die Fruchtfliege zu einem idealen Modellorganismus. Die erhobenen Daten belegen, dass dCirl verstärkt im larvalen Nervensystem, einschließlich motorischer und sensorischer Neurone, exprimiert wird. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass in dCirl Knockout-Mutanten die basale synaptische Transmission unverändert ist, vermutlich aber Teile der postsynaptischen Struktur durch dCIRL in der Fruchtfliege kontrolliert werden. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass dCirl auf Transkriptionsebene in den larvalen und adulten Chordotonalorganen exprimiert wird, spezifische Mechanosensoren, die an der Propriozeption beteiligt sind (Eberl, 1999). Die Expression von dCIRL auf Proteinebene in motorischen und sensorischen Neuronen konnte aufgrund niedriger endogener Expressionslevel noch nicht verifiziert werden. Allerdings deuten Verhaltensstudien, die Berührungsempfindlichkeit und Lokomotion untersuchen, auf eine mögliche mechanosensorische Funktion von dCIRL in den Larven von Drosophila hin. 
Der zweite Teil dieser Arbeit zeigt eine Strategie auf, die es ermöglicht, das Zusammenspiel verschiedener präsynaptischer Proteine in vivo zu untersuchen. Die hier beschriebene Methode basiert auf der Entdeckung, dass sich zwei nicht-fluoreszierende Fragmente des grün leuchtenden Proteins (GFP), zu einem fluoreszierenden Komplex zusammenlagern können. Diese geteilten GFP-Fragmente (split-GFPs) werden mit zwei unterschiedlichen Proteinen fusioniert, die miteinander interagieren. Die split-GFP Methode ermöglicht so eine direkte Visualisierung von Protein-Protein-Interaktionen in lebenden Zellen. In ersten Experimenten konnte ich zeigen, dass Synaptobrevin (n-Syb), Synaptotagmin (Syt) und Syntaxin (Syx), die mit vollständigen Fluorophoren markiert wurden, für die Expression in Drosophila geeignet sind und bestätigen, dass sowohl die N-terminale als auch die C-terminale Proteinfusion möglich ist. Zudem konnte durch diese Versuche die Überlebensfähigkeit der transgenen Fliegen überprüft werden. In vorangegangenen Studien wurden Transgene hergestellt, die Proteinfusionen von n-Syb, Syt und Syx mit split-GFP Fragmenten enthalten (Gehring, 2010). Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Wechselwirkung dieser Proteinfusionen während unterschiedlicher Stufen der synaptischen Vesikelfreisetzung an der aktiven Zone, wie beispielsweise dem Vesikel-docking an der präsynaptischen Membran und der Vesikelfusion. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die split-GFP Technik nur bedingt geeignet ist um schnelle und transiente Protein-Protein Interaktionen an der larvalen aktiven Zone von Drosophila in vivo darzustellen.
KW  - Taufliege
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptor
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - Cirl
KW  - Latrophilin
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101061
ER  - 
TY  - THES
A1  - Solanki, Narendra
T1  - Novelty choice in Drosophila melanogaster
T1  - Neuigkeitseffekt im Mustersehen von Drosophila melanogaster
N2  - This study explores novelty choice, a behavioral paradigm for the investigation of visual pattern recognition and learning of the fly Drosophila melanogaster in the flight simulator. Pattern recognition in novelty choice differs significantly from pattern recognition studied by heat conditioning, although both paradigms use the same test. Out of the four pattern parameters that the flies can learn in heat conditioning, novelty choice can be shown for height (horizontal bars differing in height), size and vertical compactness but not for oblique bars oriented at +/- 45°. Upright and inverted Ts [differing in their centers of gravity (CsOG) by 13°] that have been extensively used for heat conditioning experiments, do not elicit novelty choice. In contrast, horizontal bars differing in their CsOG by 13° do elicit novelty choice; so do the Ts after increasing their CsOG difference from 13° to 23°. This indicates that in the Ts the heights of the CsOG are not the only pattern parameters that matter for the novelty choice behavior. The novelty choice and heat conditioning paradigms are further differentiated using the gene rutabaga (rut) coding for a type 1 adenylyl cyclase. This protein had been shown to be involved in memory formation in the heat conditioning paradigm. Novelty choice is not affected by mutations in the rut gene. This is in line with the finding that dopamine, which in olfactory learning is known to regulate Rutabaga via the dopamine receptor Dumb in the mushroom bodies, is dispensable for novelty choice. It is concluded that in novelty choice the Rut cAMP pathway is not involved. Novelty choice requires short term working memory, as has been described in spatial orientation during locomotion. The protein S6KII that has been shown to be involved in visual orientation memory in walking flies is found here to be also required for novelty choice. As in heat conditioning the central complex plays a major role in novelty choice. The S6KII mutant phenotype for height can be rescued in some subsets of the ring neurons of the ellipsoid body. In addition the finding that the ellipsoid body mutants ebo678 and eboKS263 also show a mutant phenotype for height confirm the importance of ellipsoid body for height novelty choice. Interestingly some neurons in the F1 layer of the fan-shaped body are necessary for height novelty choice. Furthermore, different novelty choice phenotypes for different pattern parameters are found with and without mushroom bodies. Mushroom bodies are required in novelty choice for size but they are dispensable for height and vertical compactness. This special circuit requirement for the size parameter in novelty choice is found using various means of interference with mushroom body function during development or adulthood.
N2  - Diese Studie untersucht Novelty Choice, ein Verhaltens-Paradigma für die Untersuchung der visuellen Mustererkennung und des Lernens der Fliege Drosophila melanogaster im Flugsimulator. Mustererkennung in Novelty Choice unterscheidet sich deutlich von Mustererkennung durch heat conditioning, obwohl beide Paradigmen den gleichen Test verwenden. Von den vier Muster-Parametern, die die Fliegen im heat conditioning für die Musterunterscheidung lernen kann, lernt sie in Novelty Choice nur die Höhe (horizontale Balken in unterschiedlicher Höhe), Größe und vertikale Kompaktheit, nicht dagegen die schrägen Balken im Winkel von +/- 45°. Aufrechte und umgekehrte Ts [hinsichtlich ihrer Schwerpunkte (CsOG) um 13° voneinander verschieden], die bisher weitgehend für heat conditioning Experimente verwendet werden, lösen kein Novelty Choice aus. Im Gegensatz dazu reagiert die Fliege auf horizontale Balken, die sich in ihren CsOG um 13° unterscheiden, mit Novelty Choice. Auch die Ts lösen Novelty Choice aus, wenn ihre CsOG-Differenzen von 13° auf 23° erhöht wird. Dies deutet darauf hin, dass in den Ts die Höhen der CsOG nicht die einzigen relevanten Musterparameter für Novelty Choice Verhalten sind. Die Novelty Choice und heat conditioning Paradigmen unterscheiden sich darüber hinaus in der Rolle des Gens rutabaga (rut), das eine Typ-1-Adenylylcyclase codiert. Für dieses Protein wurde gezeigt, dass es bei der Gedächtnisbildung in der heat conditioning beteiligt ist. Novelty Choice wird nicht durch Mutationen im Gen rut beeinflusst. Dies steht im Einklang mit der Erkenntnis, dass Dopamin, das bei olfaktorischem Lernen bekanntermaßen Rutabaga über den Dopamin-Rezeptor Dumb in den Pilzkörpern reguliert, entbehrlich für die Novelty Choice ist. Die Schlussfolgerung ist, dass der Rut cAMP Signalweg bei der Novelty Choice nicht beteiligt ist. Novelty choice erfordert kurzfristigen Arbeitsgedächtnisspeicher, wie in der räumlichen Orientierung während der Fortbewegung beschrieben wurde. Das Protein S6KII, für welches gezeigt wurde, dass es am visuellen Orientierungsgedächtnis laufender Fliegen beteiligt ist, wird hier als ebenso notwendig für Novelty Choice entdeckt. Wie in heat conditioning spielt der Zentralkomplex eine wichtige Rolle in Novelty Choice. Der S6KII Mutantenphänotyp für Höhe kann in einigen Untergruppen der Ring-Neuronen des Ellipsoidkörpers gerettet werden. Weiterhin kann festgestellt werden, dass die Ellipsoidkörper-Mutanten ebo678 und eboKS263, welche ebenfalls einen Mutantenphänotyp für Höhe zeigen, die Bedeutung des Ellipsoidkörpers für die Novelty Choice hinsichtlich des Höheparameters bestätigen. Interessanterweise sind einige Neuronen in der F1-Schicht des Fächerförmigen Körpers notwendig für Novelty Choice (für Höhe). Darüber hinaus werden mit und ohne Pilzkörper unterschiedliche Phänotypen für verschiedene Musterparameter bei Novelty Choice gefunden. Die Pilzkörper sind in der Novelty Choice für Größe erforderlich, aber für Höhe und vertikale Kompaktheit sind sie entbehrlich. Diese spezielle Schaltungsvoraussetzung für den Größenparameter in Novelty Choice wird unter Verwendung verschiedener Mittel der Interferenz mit Pilzkörperfunktionen während der Entwicklung oder im Erwachsenenalter gefunden.
KW  - Taufliege
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - Mustererkennung
KW  - Sehen
KW  - Lernen
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-103219
N1  - Dieses Dokument wurde aus Datenschutzgründen - ohne inhaltliche Änderungen - erneut veröffentlicht.
Die ursprüngliche Veröffentlichung war am: 06.08.2013
ER  -