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Authors: Schützler, Natalie
Title: Mechanisms and behavioral relevance of aminergic modulation of motoneurons in Drosophila melanogaster
Online publication date: 2-Jan-2018
Language: english
Abstract: Zahlreiche Verhaltensweisen und Prozesse, wie zum Beispiel Gedächtnisbildung, Lernen, Motivation, Erregung, Hungerzustände, Depressionen, Aggressionen, und Fortbewegung, werden bei Vertebraten und Invertebraten durch biogene Amine moduliert. Durch die Funktion als Neuromodulatoren regulieren biogene Amine wie Dopamin, Epinephrin, Noradrenalin oder Serotonin die neuronalen Feuermuster und -eigenschaften durch Modulation der intrinsischen neuronalen Membraneigenschaften oder der synaptischen Transmission. In menschlichen spinalen Motorneuronen wird die intrinsische Erregbarkeit des Neurons durch die serotonerge und noradrenerge Modulation von persistenten Einwärtsströmen (engl. persistent inward currents, PIC), welche L-Typ Ca2+ Ströme (Ca v 1) beinhalten und den synaptischen Eingang verstärken, reguliert, um die Muskelkraft während der Bewegung zu maximieren. Analog zu den Erkenntnissen bei Vertebraten wurde die aminerge Modulation des motorischen Verhaltens an Invertebraten demonstriert. Die prominentesten biogenen Amine sind hier Octopamin und sein Vorläufermolekül Tyramin, welche die Pendants zum adrenergen Systems der Vertebraten bilden. In Drosophila konnten in Flugversuchen (adult), bei Kriechversuchen (larval) und an Muskelpotentialen entgegengesetzte Effekte der Amine gezeigt werden. Allerdings sind die zugrundeliegenden zellulären und molekularen Grundlagen nach wie vor nicht vollständig aufgeklärt. Diese Arbeit befasst sich mit der Hypothese, dass Motorneurone ein primäres, direktes Ziel von tyraminerger Modulation im Rahmen der adaptiven Steuerung des Bewegungsablaufs sind. Ich kombinierte elektrophysiologische und bildgebende Verfahren zur Identifizierung der zellulären Ziele und molekularen Mechanismen der tyraminergen Modulation des identifizierten larvalen Motorneurons MNISN-Is. Meine Ergebnisse zeigen, dass, erstens, Motorneurone von aminergen Neuronen innerviert werden. Zweitens, die Erregbarkeit des Motorneurons wird durch die direkte Wirkung von Tyramin dosisabhängig reduziert. Drittens, die modulierende Wirkung wird durch einen α2-adrenerg-ähnlichen Tyramin-spezifischen Rezeptor vermittelt, den Octopamin-Tyramin-Rezeptor (CG7485). Viertens, Tyramin beeinflusst den Ca2+ Einstrom in die Dendriten des Motorneurons durch Reduktion der Funktion des L-Typ Ca2+ Kanals (DmCa1D, Ca v 1 homolog). Dies konnte sowohl durch genetischen Knockdown als auch durch akute pharmakologische Blockierung des Kanals gezeigt werden. Fünftens, Verhaltensstudien an Mitte-L3-Larven mit einem Motorneuron-spezifischen Knockdown des identifizierten Tyramin-Rezeptors deuten darauf hin, dass die aminerge Modulation von Motorneuronen ausreichend ist, um die Auswirkungen von Tyramin auf das Kriechverhalten der Larven zu erklären. Zusammengefasst deutet meine Arbeit auf konservierte Mechanismen von der Fliege bis zum Menschen hin, in dem lokomotorisches Verhalten durch aminerge Modulation von L-Typ Ca2+ Kanälen in Motorneuronen kontrolliert wird. Außerdem unterstützen die Ergebnisse die Idee, dass Motorneurone nicht nur passive Integratoren von synaptischem Eingang aus den zentralen mustererzeugenden Netzwerken sind, sondern dass konditionale Membraneigenschaften von Motorneuronen in einer adaptiven Weise eine fundamentale Rolle bei der Gestaltung der Muskelleistung spielen.
Biogenic amines are modulators of numerous behaviors in both vertebrates and invertebrates, including memory, learning, motivation, arousal, states of hunger, depression, aggression, and locomotion. By acting as neuromodulators, biogenic amines like dopamine, epinephrine, norepinephrine, or serotonin regulate neuronal firing patterns and functions through the modulation of either intrinsic membrane properties or synaptic transmission. In human spinal motoneurons, intrinsic motoneuron excitability is regulated by the serotonergic and noradrenergic modulation of persistent inward currents, including L-type Ca2+ channels (Cav1), that amplify synaptic input to maximize motor force production during motor output. Analog to the findings in vertebrates, aminergic modulation of motor behavior was demonstrated in invertebrates. Here, the most prominent biogenic amines are octopamine and its precursor molecule tyramine, the invertebrate counterparts of the adrenergic system. In Drosophila, opposing effects of octopamine and tyramine have been reported for flight and larval crawling behavior, as well as for muscle properties. However, the underlying cellular and molecular basis remain poorly understood. This thesis addresses the hypothesis that motoneurons are a primary, direct target of tyraminergic modulation in the context of adaptive control of locomotor behavior. I combined electrophysiological and imaging techniques to identify the cellular targets and molecular mechanisms of tyraminergic modulation of the identified larval motoneuron MNISN-Is. My results show that, first, motoneurons are innervated by aminergic neurons. Second, motoneuron excitability is reduced by the direct action of tyramine in a dose-dependent manner. Third, the modulatory effect is mediated by an α2-adrenerg-like tyramine-specific receptor, the octopamine-tyramine receptor (CG7485). Fourth, tyramine affects the Ca2+ influx into motoneuron dendrites by inhibiting the function of L-type like DmCa1D Ca2+ channels (Cav1 homolog), which was demonstrated by both genetic knockdown and acute pharmacological blockade of the channel. And fifth, behavioral studies on mid-L3 larvae with a motoneuron-specific knockdown of the identified tyramine receptor indicate that the aminergic modulation of motoneurons is sufficient to explain the effects of TA on larval crawling behavior. In sum, my thesis points to conserved mechanisms from flies to humans, of controlling locomotor output by aminergic modulation of L-type Ca2+ channels in motoneurons. Moreover, the results underscore the notion that motoneurons are not merely passive integrators of synaptic input from the central pattern generating networks, but instead, conditional membrane properties of motoneurons play fundamentally important roles in shaping motor output in an adaptive manner.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4111
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000017057
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 147 Seiten
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