TY  - THES
A1  - Knapek, Stephan
T1  - Synapsin and Bruchpilot, two synaptic proteins underlying specific phases of olfactory aversive memory in Drosophila melanogaster
T1  - Synapsin und Bruchpilot, zwei synaptische Proteine für spezifische Komponenten von aversivem olfaktorischem Gedächtnis bei Drosophila melanogaster
N2  - Memory is dynamic: shortly after acquisition it is susceptible to amnesic treatments, gets gradually consolidated, and becomes resistant to retrograde amnesia (McGaugh, 2000). Associative olfactory memory of the fruit fly Drosophila melanogaster also shows these features. After a single associative training where an odor is paired with electric shock (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985), flies form an aversive odor memory that lasts for several hours, consisting of qualitatively different components. These components can be dissociated by mutations, their underlying neuronal circuitry and susceptibility to amnesic treatments (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). A component that is susceptible to an amnesic treatment, i.e. anesthesia-sensitive memory (ASM), dominates early memory, but decays rapidly (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). A consolidated anesthesia-resistant memory component (ARM) is built gradually within the following hours and lasts significantly longer (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). I showed here that the establishment of ARM requires less intensity of shock reinforcement than ASM. ARM and ASM rely on different molecular and/or neuronal processes: ARM is selectively impaired in the radish mutant, whereas for example the amnesiac and rutabaga genes are specifically required for ASM (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). The latter comprise the cAMP signaling pathway in the fly, with the PKA being its supposed major target (Levin et al., 1992). Here I showed that a synapsin null-mutant encoding the evolutionary conserved phosphoprotein Synapsin is selectively impaired in the labile ASM. Further experiments suggested Synapsin as a potential downstream effector of the cAMP/PKA cascade. Similar to my results, Synapsin plays a role for different learning tasks in vertebrates (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Also in Aplysia, PKA-dependent phosphorylation of Synapsin has been proposed to be involved in regulation of neurotransmitter release and short-term plasticity (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin is associated with a reserve pool of vesicles at the presynapse and is required to maintain vesicle release specifically under sustained high frequency nerve stimulation (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). In contrast, the requirement of Bruchpilot, which is homologous to the mammalian active zone proteins ELKS/CAST (Wagh et al., 2006), is most pronounced in immediate vesicle release (Kittel et al., 2006). Under repeated stimulation of a bruchpilot mutant motor neuron, immediate vesicle release is severely impaired whereas the following steady-state release is still possible (Kittel et al., 2006). In line with that, knockdown of the Bruchpilot protein causes impairment in clustering of Ca2+ channels to the active zones and a lack of electron-dense projections at presynaptic terminals (T-bars). Thus, less synaptic vesicles of the readily-releasable pool are accumulated to the release sites and their release probability is severely impaired (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). First, I showed that Bruchpilot is required for aversive olfactory memory and localized the requirement of Bruchpilot to the Kenyon cells of the mushroom body, the second-order olfactory interneurons in Drosophila. Furthermore, I demonstrated that Bruchpilot selectively functions for the consolidated anesthesia-resistant memory. Since Synapsin is specifically required for the labile anesthesia sensitive memory, different synaptic proteins can dissociate consolidated and labile components of olfactory memory and two different modes of neurotransmission (high- vs. low frequency dependent) might differentiate ASM and ARM.
N2  - Gedächtnis ist ein dynamischer Prozess. In der Zeit kurz nach seiner Bildung ist es instabil und anfällig gegen amnestische Störungen, dann wird es schrittweise konsolidiert und schließlich resistent gegenüber retrogradem Gedächtnisverlust (McGaugh, 2000). Auch das assoziative olfaktorische Gedächtnis der Fruchtfliege Drosophila melanogaster zeigt diese Merkmale. Nach einem einzelnen assoziativen Training, in welchem ein Duft mit elektrischen Stromstößen gepaart wird, bilden die Fliegen ein aversives Duftgedächtnis, welches über mehrere Stunden anhält und aus qualitativ unterschiedlichen Komponenten besteht (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985). Diese Komponenten können zum Beispiel durch Mutationen, die zugrunde liegenden neuronalen Verknüpfungen oder durch ihre Anfälligkeit für amnestische Behandlungen unterschieden werden (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). Eine gegen amnestische Behandlungen, wie beispielsweise Kälte-induzierte Betäubung, anfällige Komponente beherrscht das frühe Gedächtnis, zerfällt jedoch schnell (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese wird deshalb Anästhesie-sensitives Gedächtnis genannt (anesthesia-sensitive memory [ASM]). Im Gegensatz dazu baut sich eine konsolidierte Komponente erst langsam in den folgenden Stunden nach dem Training auf, hält stattdessen jedoch länger an (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese Komponente ist resistent gegenüber Kälte-induzierter Anästhesie und wird deshalb als ARM (anesthesia-resistant memory) bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit konnte ich zeigen, dass das konsolidierte ARM bereits mit deutlich weniger starken Elektroschocks im Training gebildet wird als das instabile ASM. ARM und ASM unterliegen unterschiedliche molekulare und/oder neuronale Prozesse. Während in einer Mutante für das radish Gen selektiv ARM beeinträchtigt ist, werden andere Gene wie zum Beispiel amnesiac oder rutabaga ausschließlich für ASM benötigt (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). Die beiden letzteren sind Teil des cAMP Signalweges, welcher vermutlich hauptsächlich die cAMP abhängige Protein-Kinase A (PKA) aktiviert (Levin et al., 1992). Hier zeige ich, dass eine Null-Mutante für das evolutionär konservierte Phosphoprotein Synapsin einen selektiven Defekt in ASM hat. Weitere Experimente lassen vermuten, dass Synapsin als Effektor stromabwärts der cAMP/PKA Kaskade wirkt. Ähnlich wie bei Drosophila spielt Synaspin auch in Vertebraten eine Rolle in unterschiedlichen Lernparadigmen (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Auch in der Meeresschnecke Aplysia wurde eine PKA abhängige Phosphorylierung von Synapsin als Mechanismus für die Regulierung von Neurotransmitterausschüttung und Kurzzeitplastizität vorgeschlagen (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin wird für die Bildung eines Reserve-Pools von Vesikeln an der Präsynapse und für die Aufrechterhaltung der Vesikelausschüttung speziell bei anhaltender, hochfrequenter Stimulation von Nervenzellen benötigt (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). Im Gegensatz dazu wird Bruchpilot, ein Protein der aktiven Zone und homolog zu den ELKS/CAST Proteinen bei Säugern (Wagh et al., 2006), haupsächlich für sofortige Vesikelausschüttung gebraucht (Kittel et al., 2006). Bei wiederholter Stimulation an Motorneuronen einer bruchpilot Mutante ist die akute Vesikelausschüttung stark vermindert, während die darauf folgende andauernde Ausschüttung noch immer möglich ist (Kittel et al., 2006). Dazu passend beeinträchtigt eine künstliche Verminderung des Bruchpilot-Proteins die Ansammlung von Ca2+ Kanälen an den aktiven Zonen, sowie die Bildung von elektronendichten Strukturen (T-bars) an den präsynaptischen Endigungen. Deshalb akkumulieren weniger Vesikel des “readily-releasable” Pools an den Ausschüttungsstellen und die Ausschüttungswahrscheinlichkeit ist stark vermindert (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). In dieser Arbeit zeige ich zum ersten Mal, dass Bruchpilot für aversives olfaktorisches Gedächtnis benötigt wird. Der Ort an dem Bruchpilot hierfür gebraucht wird sind die Kenyon-Zellen des Pilzkörpers, die olfaktorischen Interneuronen zweiter Ordnung in Drosophila. Desweiteren zeige ich, dass die Funktion von Bruchpilot selektiv für das konsolidierte ARM ist. Da Synapsin spezifisch für das labile ASM benötigt wird, können diese beiden olfaktorischen Gedächtniskomponenten durch verschiedene synaptische Proteine getrennt werden, und zwei unterschiedliche Arten der Neurotransmitterausschüttung (abhängig von hoch- oder niedrig-frequenter Stimulation) könnten ASM und ARM auseinander halten.
KW  - Taufliege
KW  - Assoziatives Gedächtnis
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Molekularbiologie
KW  - Synapsin
KW  - Bruchpilot
KW  - Präsynapse
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - olfaktorisches Gedächtnis
KW  - Synapsin
KW  - Bruchpilot
KW  - presynapse
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - olfactory memory
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-49726
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nuwal, Nidhi
T1  - Optogenetic investigation of nervous system functions using walking behavior and genome wide transcript analysis of Synapsin and Sap47 mutants of Drosophila
N2  - PART I Animals need to constantly evaluate their external environment in order to survive. In some cases the internal state of the animal changes to cope with it’s surrounding. In our study we wanted to investigate the role of amines in modulating internal states of Drosophila. We have designed a behavioral paradigm where the flies are fixed in space but can walk on a small styrofoam ball suspended by a gentle stream of air. The walking activity of flies was used as behavioral readout. PART I Animals need to constantly evaluate their external environment in order to survive. In some cases the internal state of the animal changes to cope with it’s surrounding. In our study we wanted to investigate the role of amines in modulating internal states of Drosophila. We have designed a behavioral paradigm where the flies are fixed in space but can walk on a small styrofoam ball suspended by a gentle stream of air. The walking activity of flies was used as behavioral readout. An operant training paradigm was established by coupling one of the walking directions to incidence of heat punishment. We observed that animals quickly realized the contingency of punishment with walking direction and avoided walking in the punished direction in the presence of punishment, but did not continue walking in the unpunished direction in the absence of the punishment. This would indicate that the flies do not form a memory for the punished direction or rapidly erase it under new conditions. On having established the paradigm with heat punishment we have attempted to activate selected subsets of neuronal populations of Drosophila while they were walking on the ball. The selective activation of neurons was achieved by expressing the light-activated ion channel channelrhodopsin-2 (ChR2) using the Gal4-UAS system and coupling the unidirectional walking of the animals on the ball with the incidence of blue light required to activate the channels and depolarize the neurons. The feasibility of this approach was tested by light-activating sugar sensitive gustatory receptor neurons expressing ChR2, we found that when the light was actuated the flies preferred to turn in one direction the optically “rewarded” direction. Next we similarly activated different subsets of aminergic neurons. We observed that in our setup animals avoided to turn in the direction which was coupled to activation of dopaminergic neurons indicating that release of dopamine is disliked by the animals. This is in accordance with associative learning experiments where dopamine is believed to underlie the formation of an association between a neutral conditioned stimulus with the aversive unconditioned stimulus. However, when we activated tyraminergic/octopaminergic neurons we did not observe any directional preference. The activation of dopaminergic and tyraminergic/octopaminergic neurons led to arousal of the animals indicating that we were indeed successful in activating those neurons. Also, the activation of serotonergic neurons did not have any effect on directional preference of the animals. With this newly established paradigm it will be interesting to find out if in insects like in mammals a reward mediating system exists and to test subsets of aminergic or peptidergic neurons that could possibly be involved in a reward signaling system which has not been detected in our study. Also, it would be interesting to localize neuropile regions that would be involved in mediating choice behavior in our paradigm. PART II In collaboration with S. Kneitz (IZKF Wuerzburg) and T. Nuwal we performed genome-wide expression analysis of two pre-synaptic mutants - Synapsin (Syn97) and Synapse associated protein of 47 kDa (Sap47156). The rationale behind these experiments was to identify genes that were up- or down-regulated due to these mutations. The microarray experiments provided us with several candidate genes some of which we have verified by qPCR. From our qPCR analysis we can conclude that out of the verified genes only Cirl transcripts seem to be reproducibly down regulated in Synapsin mutants. The Cirl gene codes for a calcium independent receptor for latrotoxin. Further qPCR experiments need to be performed to verify other candidate genes. The molecular interactions between CIRL and SYN or their genes should now be investigated in detail.
N2  - Teil I Lebewesen müssen beständig ihre äußere Umgebung auswerten, um überleben zu können. Manchmal ändern sich innere Zustände der Tiere, damit sie sich der Außenwelt anpassen. In unseren Untersuchungen wollten wir die Rolle von Aminen untersuchen, die für die Modulation von inneren Zuständen bei Drosophila notwendig sind. Wir haben ein Verhaltensparadigma entwickelt, bei dem die Fliege räumlich fixiert ist, aber auf einem Styroporball laufen kann, der auf einem Luftpolster schwebt. Die Laufaktivität der Fliege wird durch die Ballbewegungen anzeigt. Mit diesem Versuchsaufbau wurde ein operantes Lernparadigma etabliert, bei dem eine Laufrichtung mit Bestrafung durch Hitze gekoppelt wird. Wir konnten feststellen, dass die Tiere schnell den Zusammenhang zwischen dem Auftreten der Bestrafung und der Laufrichtung realisieren und die bestrafte Seite vermeiden. Wurde die eine Laufrichtung nicht mehr bestraft, so vermieden die Fliegen sie nicht mehr. Dies zeigt dass die Fliegen kein Gedächtnis für die bestrafte Richtung ausbilden oder es bei veränderten Bedingungen rasch löschen . Nachdem sich der Versuchsaufbau mit Hitzebestrafung bewährt hatte, wurde versucht, bestimmte Sub-population von Neuronen von Drosophila zu aktivieren, während die Fliege auf dem Ball läuft. Die selektive Aktivierung von Neuronen wurde durch die Expression des lichtaktivierten Jonenkanals Channelrhodopsin-2 (ChR-2) mit Hilfe des Gal4-UAS-System und Beleuchtung der Fliege mit Blaulicht erreicht, das die Kanäle aktiviert. Nun erfolgte eine Kopplung einer Laufrichtung auf dem Ball mit dem Auftreten von blauem Licht. Die Durchführbarkeit derartiger Experimente wurde durch die Aktivierung von zuckersensitiven gustatorischen Rezeptorneuronen getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Tiere bevorzugt die Richtung wählen, welche die Zuckerrezeptorneurone aktiviert. Anschließend aktivierten wir verschiedene Untergruppen von Neuronen des aminergen Systems. In diesem Versuchsaufbau beobachteten wir, dass die Tiere die Laufrichtung vermieden, die gekoppelt war mit der Aktivierung dopaminerger Neurone. Diese Ergebnisse stehen in Übereinstimmung mit Versuchen zum assoziativen Lernen, bei dem Dopamin wahrscheinlich notwendig ist für die Assoziation zwischen dem neutralen Konditionierungsstimulus und dem aversiven unkonditionierten Stimulus. Wenn wir jedoch die tyraminergen/oktopaminergen Neurone aktivierten, konnte keine gerichtete Präferenz nachgewiesen werden. Die Aktivierung dopaminerger und tyraminger/oktopaminerger Neurone führte jedoch zur Aktivitätssteigerung der Tiere, wodurch die erfolgreiche der Aktivierung der Neurone belegt wurde. Die Aktivierung serotonerger Neurone führte ebenfalls zu keinem Effekt in der Präferenz der Tiere. In zukünftigen Experimenten mit dem neu entwickelten Paradigma wäre es interessant, herauszufinden, ob in Insekten auch ein belohnungsabhängiges System existiert, vergleichbar dem von Säugern. So wäre die Identifizierung von Subpopulationen aminerger oder peptiderger Neurone des Belohnungssystems bei Insekten wichtig, da dies nicht in unseren Experimenten entdeckt wurde. Eine weitere interessante Fragestellung wäre, welche Gehirnstruktur die Richtungswahl auf dem Ball vermittelt. Teil II In Zussamenarbeit mit S. Kneitz (IZKF, Würzburg) und T. Nuwal wurde in der vorliegenden Arbeit die genomweite Genexpression einer Synapsin-Mutante (Syn97) und einer Mutante für das Synapsen-assoziierte-Protein von 47kDa (Sap47156) untersucht. Bei beiden Proteinen handelt es sich um präsynaptische Proteine von Drosophila. Ziel dieses Experiments war es, Gene zu identifizieren die aufgrund dieser Mutationen hoch bzw. herunterreguliert vorliegen. Durch das Microarray-Experiment wurden mehrere Kandidatengene entdeckt, wovon einige dieser Gene per qPCR-Versuchen verifiziert wurden. Aufgrund der qPCR-Analysen lässt sich schlussfolgern, dass nur das Cirl-Transkript in den Synapsin-Mutanten reproduzierbar herunterreguliert vorliegt. Das Cirl gene kodiert für einen Calcium independent receptor for Latrotoxin Weitere qPCR-Experimente sind notwendig, um die anderen Kandidatengene zu bestätigen. Die molekularen Interaktionen zwichen CIRL und Synapsin oder ihren Genen müssen nun im Detail untersucht werden.
KW  - Taufliege
KW  - Nervensystem
KW  - Amine
KW  - Synapsine
KW  - Optogenetik
KW  - Oktopamin
KW  - Dopamin
KW  - Channelrhodopsin
KW  - Synapsin
KW  - Sap47
KW  - Cirl
KW  - Optogenetic
KW  - Channelrhodopsin
KW  - Dopamine
KW  - Octopamine
KW  - Synapsin
KW  - Sap47
KW  - Cirl
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51694
ER  - 
TY  - THES
A1  - Michels, Birgit
T1  - Towards localizing the Synapsin-dependent olfactory memory trace in the brain of larval Drosophila
T1  - Lokalisierung einer Synapsinabhängigen Duft-Gedächtnisspur im Gehirn von Drosophila Larven
N2  - Animals need to adapt and modify their behaviour according to a changing environment. In particular, the ability to learn about rewarding or punishing events is crucial for survival. One key process that underlies such learning are modifications of the synaptic connection between nerve cells. This Thesis is concerned with the genetic determinants of such plasticity, and with the site of these modifications along the sensory-to-motor loops in Drosophila olfactory learning. I contributed to the development and detailed parametric description of an olfactory associative learning paradigm in larval fruit flies (Chapter I.1.). The robustness of this learning assay, together with a set of transgenic Drosophila strains established during this Thesis, enabled me to study the role for Synapsin, a presynaptic phosphoprotein likely involved in synaptic plasticity, in this form of learning (Chapter I.2.), and to investigate the cellular site of the corresponding Synapsin-dependent memory trace (Chapter I.3.). These data provide the first comprehensive account to-date of the neurogenetic bases of learning in larval Drosophila. The role for Synapsin was also analyzed with regard to pain-relief learning in adult fruit flies (Chapter II.1.); that is, if an odour precedes an electric shock during training, flies subsequently avoid that odour (‘punishment learning’), whereas presentation of the odour upon the cessation of shock subsequently leads to approach towards the odour (‘relief larning’). Such pain-relief learning was also the central topic of a study concerning the white gene (Chapter II.2.), which as we report does affect pain-relief as well as punishment learning in adult flies, but leaves larval odour-food learning unaffected. These studies regarding pain-relief learning provide the very first hints, in any experimental system, concerning the genetic determinants of this form of learning.
N2  - Tiere müssen sich den wechselnden Umweltbedingungen anpassen und ihr Verhalten dementsprechend ändern. Insbesondere ist die Fähigkeit bestrafende und belohnende Ereignisse zu lernen wesentlich für das Überleben. Ein Schlüssel-Prozess, der solchem Lernen unterliegt, sind Veränderungen in der synaptischen Verbindung zwischen Nervenzellen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den genetischen Bestimmungsgrößen solcher Plastizität und mit dem Ort an, dem diese Veränderungen entlang der sensorisch-motorischen Nervenbahn des olfaktorischen Lernens in Drosophila stattfinden. Ich habe an der Planung und der Festlegung der Parameter eines olfaktorischen assoziativen Lernparadigmas von Drosophila Larven mitgewirkt (Kapitel I.1.). Die Robustheit dieses Lernparadigmas, zusammen mit einer Anzahl an genetisch veränderten Drosophila Stämmen, die ich während dieser Arbeit entwickelt habe, ermöglichte es mir, die Rolle des Synapsins zu untersuchen. Synapsin ist ein präsynaptisches Phosphoprotein und wahrscheinlich an synaptischer Plastizität beteiligt, welche bei dieser Art von Lernen eine Rolle spielt (Kapitel I.2.). Außerdem ermöglichte es mir den zellulären Ort der Synapsinabhängigen Gedächtnisspur zu untersuchen (Kapitel I.3.) Diese Daten liefern den ersten umfassenden Wissensstand über neuro-genetische Grundlagen des larvalen Lernens. Die Rolle des Synapsin wurde auch im „Erleichterungslernen“ in adulten Fliegen analysiert (Kapitel II.1.). Wenn während des Trainings ein Duft einem elektrischem Schock vorausgeht, vermeiden Fliegen danach diesen Duft („Beschtrafungslernen“), wohingegen die Verabreichung des Duftes nach dem Ende des Schocks anschließend zu einer Annäherung in Richtung Duft führt („Erleichterungslernen“). Solches „Erleichterungslernen“ war auch der Schwerpunkt einer Reihe von Experimenten, die sich mit dem „White“-Gen beschäftigten (Kapitel II.2.). Wie gezeigt beeinflusst dieses Gen sowohl das „Erleichterungs“- als auch das „Bestrafungs“- Lernen in adulten Fliegen; jedoch hat es keine Auswirkungen auf das Duft-Futter-Lernen in Larven. Diese Experimente, die sich mit „Erleichterungslernen“ beschäftigen, liefern die neuesten Hinweise in Systemen, die sich mit den genetischen Bestimmungsgrößen dieser Form von Lernen beschäftigen.
KW  - Taufliege
KW  - olfaktorisches Lernen
KW  - Synapsin
KW  - Larve
KW  - drosophila larva
KW  - olfactory learning
KW  - Synapsin
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-36338
ER  -