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Kennen Ameisen den direkten (ungefähr kürzesten) Weg vom Futterbrocken zu ihrem Nest?

Kennen Ameisen den direkten (ungefähr kürzesten) Weg vom Futterbrocken zu ihrem Nest?


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Ich habe mich ein wenig mit den Nahrungsgewohnheiten von Ameisen beschäftigt, und eines der Dinge, die mir nicht klar sind, ist, ob Ameisen den kürzesten Weg von der Nahrung, die sie finden, zu ihrem Nest kennen. Ich verstehe, dass Ameisen verschiedene Arten von Pheromonen hinterlassen können$^{[1,2]}$, können sie ihr Verhalten basierend auf diesen Pfaden ändern, und diese Pfade sind oft unbeständig. Was ich gerne wissen würde, ist, wie Ameisen ihr Nest finden, wenn sie ein Futterstückchen gefunden haben. In einem der Papiere$^{[3]}$ Es wurde gezeigt, dass Ameisen ihre Nahrungssuche basierend auf der Anzahl der Begegnungen ändern: Sie folgen einem geraderen Weg, wenn die Ameisendichte in einem Gebiet gering ist, während sie einem gewundenen Weg folgen, wenn die Ameisendichte hoch ist.

In Anbetracht einer geringeren Ameisendichte wird sich eine Ameise auf einem nicht immer einfachen Weg auf der Suche nach Nahrung ziemlich weit vom Nest entfernen. Unter der Annahme, dass die Pheromonspuren, die sie hinterlässt, nicht verdunsten, wenn sie das Futter findet, wird die Ameise dann den gleichen Weg zurücklegen, den sie durch ihre Pheromonspur vorgegeben hat, oder wird sie aktiv einen direkteren Weg zu ihrem Nest finden? Vielleicht fehlt mir auch etwas in dem Sinne, dass Ameisen bei der Nahrungssuche immer wissen, wo ihr Nest liegt und so immer den kürzesten Weg finden können, wenn sie Nahrung finden. Wenn ja, wäre jede Arbeit, die eine solche Forschung widerspiegelt, eine große Hilfe.

Verweise:

  1. Dussutour, A., Nicolis, S.C., Shephard, G., Beekman, M., & Sumpter, D.J. (2009). Die Rolle multipler Pheromone bei der Nahrungsrekrutierung von Ameisen. Journal of Experimental Biology, 212(15), 2337-2348.

  2. von Thienen, W., Metzler, D. & Witte, V. (2016). Wie Gedächtnis und Motivation die Reaktionen auf Spurenpheromone bei drei Ameisenarten modulieren. Verhaltensökologie und Soziobiologie, 70(3), 393-407.

  3. Adler, F.R. & Gordon, D.M. (1992). Informationssammlung und Verbreitung durch Netzwerke von patrouillierenden Ameisen. Der amerikanische Naturforscher, 140 (3), 373-400.


Begriffe, die Ihnen bei der Recherche helfen können, sind Koppelnavigation oder Pfadintegration. Aus Wikipedia:

In der Navigation ist Koppelnavigation der Prozess der Berechnung der aktuellen Position unter Verwendung einer zuvor bestimmten Position oder Fixierung unter Verwendung von Schätzungen der Geschwindigkeit und des Kurses über die verstrichene Zeit. Der entsprechende Begriff in der Biologie, der verwendet wird, um die Prozesse zu beschreiben, durch die Tiere ihre Schätzungen von Position oder Kurs aktualisieren, ist Pfadintegration.

Es gibt viele Tiere und sicherlich etwas Ameisenarten, die Koppelnavigation/Pfadintegration für die Navigation verwenden. Hier sind einige Papiere über die Kataglyphen Gattung von einem Wissenschaftler und einigen Kollegen:

Wehner, R. & Räber, F. (1979). Visuelles räumliches Gedächtnis bei Wüstenameisen, Cataglyphis bicolor (Hymenoptera: Formicidae). Erfahrung, 35(12), 1569-1571.

Wehner, R., & Wehner, S. (1986). Pfadintegration bei Wüstenameisen. Annäherung an ein seit langem bestehendes Rätsel in der Insektennavigation. Monitore Zoologico Italiano-Italian Journal of Zoology, 20(3), 309-331.

Müller, M., & Wehner, R. (1994). Die versteckte Spirale: Systematische Suche und Pfadintegration bei Wüstenameisen, Cataglyphis fortis. Journal of Comparative Physiology A, 175(5), 525-530.

Collett, M., Collett, T.S., Chameron, S. & Wehner, R. (2003). Setzen bekannte Landmarken das globale Pfadintegrationssystem der Wüstenameisen zurück?. Zeitschrift für experimentelle Biologie, 206(5), 877-882.

Der letzte Punkt auf der Liste ist besonders relevant, da er zu zeigen scheint, dass die Ameisen keine Landmarken als Positionsmarkierungen verwenden, da sich bewegende Landmarken ihre Wege nicht ändern.

Meine Intuition ist, dass das Ausmaß der Pfadintegration von der Umgebung abhängt. Arten, die in einem ziemlich "ebenen" Gelände leben, können viel davon gewinnen, die Richtung zu ihrem Zuhause zu kennen. In einem Baumkronendach spielt die Richtung "nach Hause" jedoch keine große Rolle, wenn Ihr Weg durch Pfade im Laub usw. eingeschränkt ist.

Daher ist es unwahrscheinlich, eine allgemeine Aussage über Ameisen als ganze Gruppe, und besser einzelne Gattungen/Arten zu untersuchen.

Allerdings ist die Kataglyphen Gattungen aus den oben genannten Artikeln leben in einer Wüste, und ihre Fähigkeiten zur Koppelnavigation scheinen die am besten untersuchten zu sein (es gibt viel, viel mehr Artikel als die, die ich hier eingefügt habe, suchen Sie in Google Scholar nach "Pfadintegration" ant oder "Pfadintegration" Cataglyphis).


Kennen Ameisen den direkten (ungefähr kürzesten) Weg vom Futterbrocken zu ihrem Nest? - Biologie

Genetische Kartenposition - 2-10

Klassifikation - cGMP-abhängige Proteinkinase-Aktivität

Natürlich vorkommende Polymorphismen im Verhalten sind genetisch schwer zu kartieren und daher resistent gegen eine molekulare Charakterisierung. Eine Ausnahme ist die Drosophila melanogaster auf Nahrungssuche (zum) Gen, das zwei natürlich vorkommende Varianten in Bezug auf das Verhalten bei der Nahrungssuche aufweist: „Rover“ und „Sitter“. Molekulares Mapping platziert auf Nahrungssuche Mutationen in der dg2 Gen, das eine von zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP) abhängige Proteinkinase (PKG) kodiert. Rover haben eine höhere PKG-Aktivität als Sitter, und transgene Sitter, die a . exprimieren dg2 komplementäre DNA des Rovers zeigt eine Verhaltensänderung zum Rovertyp. Somit beeinflussen die PKG-Spiegel das Verhalten bei der Nahrungssuche, und die natürliche Variation der PKG-Aktivität erklärt einen Verhaltenspolymorphismus (Osborne, 1997).

Das Interesse an der cGMP-abhängigen Serin/Threonin-Kinase oder PKG ist mit dem Bewusstsein der Vielfalt biochemischer Stoffwechselwege, die cGMP beinhalten, gewachsen. Es wurde gezeigt, dass PKG die Eigenschaften beeinflusst, die sowohl an der funktionellen als auch an der Entwicklungsplastizität neuronaler Schaltkreise beteiligt sind. Bei Drosophila ist eine Form von PKG (bekannt als dg2 Kalderon, 1989) wird von der auf Nahrungssuche Gen (Osborne, 1997), das seinen Namen von einem Verhaltensphänotyp hat, dem Grad der Fortbewegung während der Nahrungsaufnahme, der durch die Länge der Nahrungsspuren von Larven und adulten Tieren angezeigt wird (Sokolowski 1980 de Belle, 1987 de Belle, 1989 Pereira, 1993. Zwei natürlich vorkommende Varianten , für R (Rover, mit langen Wegen zur Nahrungssuche) und für s (Sitter mit kurzen Wegen zur Nahrungssuche) haben hohe bzw. niedrige PKG-Werte. Rover und Sitter unterscheiden sich in der allgemeinen Aktivität ohne Nahrung nicht. Sowohl Rover als auch Sitter sind Wildtyp-Formen, die in beträchtlicher Häufigkeit vorkommen. Mehrere Mutationen der Locus-Map mit den natürlich vorkommenden Allelen in der 24A3-5-Region des D. melanogaster polytäne Chromosomen. Diese Region enthält dg2, eines von zwei cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG)-Genen in Drosophila. Die dg2 Gen hat drei Haupttranskripte, T1, T2 und T3, und die zum Mutationen sind in dieser Region lokalisiert. Das transponierbare P[GAL4]-Element in 189Y wurde in das 5'-Ende des eingefügt dg2 T2-Transkript. Diese homozygote lebensfähige Insertion identifizierte ein neues zum Allel, da die P-Element-Exzision das Nahrungssuchverhalten der Larven vom Sitter- zum Rover-Phänotyp umkehrt. Wie bei anderen Sitter-Allelen wird die Fortbewegung der 189Y-Larven in Abwesenheit von Nahrung nicht reduziert, was darauf hindeutet, dass die Verhaltensänderung spezifisch für die Nahrungssuche ist (Osborne, 1997).

Um festzustellen, ob PKG direkt für den Nahrungssuchpolymorphismus bei Drosophila verantwortlich ist, dg2 wurde in Sitter-Larven überexprimiert. Dies führt zu einer Verhaltensänderung zum Rover-Phänotyp. Der transgene Stamm enthält vier Kopien eines hitzeschockgetriebenen dg2-cDNA. Das Grundniveau der PKG-Expression in diesem transgenen Stamm reicht aus, um das Verhalten der Roverlarven zu retten, wodurch die tödlichen und subletalen Auswirkungen von Hitze auf die dg2-transgene Larven. Erwartungsgemäß zeigen die PKG-Enzymaktivitäten des sezierten zentralen Nervensystems (ZNS) der Larven, dass ohne Hitzeschock die dg2-cDNA-transgene Stämme haben PKG-Spiegel ähnlich denen von zum R und signifikant höher als die des Sitter-Kontrollstamms (Osborne, 1997).

Die Grundlage für die dg2 Aktivitätsunterschied zwischen zum R und zum S wurde weiter durch die Messung der RNA-Spiegel und des PKG-Proteins adressiert. Northern (RNA)-Analyse ergab, dass zum S und zum s2 zeigen eine kleine, aber konsistente Verringerung der Häufigkeit von T1-RNA im Vergleich zu der in zum R . T2- und T3-RNA sind bei diesen Stämmen ebenfalls reduziert, jedoch in geringerem Maße. Um den Proteingehalt zu bestimmen, wurden Extrakte von erwachsenen Köpfen einer Protein-Immunoblot-Analyse durch Sondierung mit einem Antikörper gegen Rinder-PKG unterzogen, oder die Extrakte wurden durch Chromatographie an cGMP-Sepharose affinitätsgereinigt, markiert und einer Elektrophorese unterzogen. In beiden Experimenten wurde eine auffällige Bande bei einer Molekülmasse von 80.000 Dalton gefunden. Dies ist die einzige Bande, die stark durch einen Hitzeschock in der dg2-cDNA-transgener Stamm, und es ist weniger intensiv in zum S als zum R . (Diese Band ist auch etwas weniger intensiv in zum s2 und bei 189Y-Homozygoten fast nicht vorhanden). Zusammengenommen argumentieren diese Ergebnisse, dass der Unterschied zwischen den natürlich vorkommenden Allelen zum R und zum S liegt im Expressionsniveau des Enzyms (Osborne, 1997).

Die Zuordnung von Mutationen in der zum Gen zum dg2 locus etabliert nicht nur die Identifizierung von PKG-Mutationen, sondern impliziert auch den cGMP-Signaltransduktionsweg bei der Regulation des Nahrungssuchverhaltens in D. melanogaster. Kleine, aber signifikante Unterschiede in den Spiegeln dieser Kinase beeinflussen den natürlich vorkommenden Verhaltenspolymorphismus. Diese kleinen PKG-Unterschiede sind sogar in Homogenaten nachweisbar, was darauf hindeutet, dass die Unterschiede im PKG-Spiegel bei Rovern und Sittern in Zellen, die für die Ausprägung des Nahrungssucheverhaltens relevant sind, größer sein könnten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Menge der Kinaseaktivität das Nahrungssuchverhalten der Larven beeinflusst. Tatsächlich beeinflussen sogar bescheidene quantitative Veränderungen der Kinaseaktivität das Verhalten. Induzierte Mutationen, die Verhaltensphänotypen beeinflussen, liegen oft in Signaltransduktionswegen. Beispielsweise beeinflusst das zyklische Adenosinmonophosphat (cAMP)-System das assoziative Lernen bei Fliegen und genetische Varianten bei zwei anderen Serin/Threonin-Kinasen: die Calcium/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II und Proteinkinase C beeinflussen die Lern- und Verhaltensplastizität bei Fliegen und Mäusen . Die Erkenntnis, dass zum ein PKG kodiert, zeigt, dass ein natürlich vorkommender genetischer Polymorphismus im Verhalten diese Wege involviert. PKG hat eine Vielzahl von pleiotropen zellulären Regulationsfunktionen, die auch für Signaltransduktionskomponenten typisch sind. Elektrophysiologische Studien haben gezeigt, dass injizierte Kinase die neuronale Membranleitfähigkeit bei Schnecken und Säugetieren beeinflusst, dass PKG-Inhibitoren die Langzeitpotenzierung im Hippocampus von Säugern blockieren und dass PKG an der präsynaptischen Langzeitpotenzierung in kultivierten Hippocampusneuronen beteiligt ist. Außerhalb des Nervensystems wurde PKG auch an der Kontrolle der Proliferation glatter Muskelzellen und der Degranulation von Neutrophilen beteiligt. Diese Ergebnisse weisen diesem relativ seltenen Mitglied der Serin/Threonin-Kinasen Verhaltensfunktionen zu und zeigen, dass feine Unterschiede in der PKG zu natürlich vorkommenden Verhaltensvariationen führen können (Osborne, 1997 und Referenzen).

Ein cGMP-abhängiges Proteinkinase-Gen, Nahrungssuche, modifiziert die gewöhnungsähnliche Reaktionsverminderung des Giant Fiber Escape Circuit in Drosophila

Die Sprung-und-Flucht-Fluchtreaktion der Riesenfaser von Drosophila ist ein Modell für die genetische Analyse sowohl der Physiologie als auch der Plastizität eines sensomotorischen Verhaltenspfads. Die elektrisch induzierte Riesenfaserreaktion in intakten angebundenen Fliegen wurde als Modell für die Gewöhnung, eine Form des nichtassoziativen Lernens, etabliert. Die Rate der reizabhängigen Reaktionsverminderung dieses neuralen Signalwegs in einem Gewöhnungsprotokoll korreliert mit der PKG-Aktivität (cGMP-abhängige Proteinkinase) und dem Nahrungssuche-Verhalten. Die Antwortverminderung wurde auf natürliche und mutierte Rover- und Sitter-Allele des Nahrungssuche-Gens (for) getestet, das ein Drosophila-PKG codiert. Rover-Larven und Adulte, die eine höhere PKG-Aktivität aufweisen, reisen bei der Nahrungssuche deutlich weiter als Sitter mit niedrigeren PKG-Aktivitäten. Die Ansprechverringerung ist am schnellsten bei Genotypen, die zuvor eine niedrige PKG-Aktivität und ein sitzendes Verhalten bei der Nahrungssuche aufwiesen. Unterschiede wurden in der spontanen Erholung (die Umkehrung des Reaktionsabfalls während einer Ruhepause von der Stimulation) und einem entwöhnungsähnlichen Phänomen (der Umkehr des Reaktionsabfalls, hervorgerufen durch einen neuen Stimulus) gefunden. Diese elektrophysiologische Studie an einem intakten Tierpräparat liefert einen der ersten direkten Nachweise, dass PKG die Plastizität in einem einfachen Lernparadigma beeinflussen kann. Es verbessert das Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Faktoren, die die Empfindlichkeit der Reaktion auf das Entweichen von Riesenfasern modulieren können, und es definiert einen neuen Phänotyp des Nahrungssuche-Locus im Erwachsenenstadium. Schließlich zeigen diese Ergebnisse, dass verhaltensrelevante neuronale Plastizität in einem identifizierten Schaltkreis durch einen genetischen Polymorphismus an einem einzigen Ort beeinflusst werden kann, der in einer natürlichen Population von Drosophila existiert (Engel, 2000).

Gewöhnung ist eine Form des nichtassoziativen Lernens, bei der eine Verhaltensreaktion bei wiederholter Stimulation reduziert wird oder verschwindet. Nichtassoziative Konditionierung ist als einfache Manifestation physiologischer Mechanismen von Interesse, die auch komplexeren assoziativen Lernparadigmen zugrunde liegen können. Die Gewöhnung kann durch eine Vielzahl von Mechanismen vermittelt werden, einschließlich homosynaptischer Depression und extrinsischer Hemmung. Gewöhnung ist phylogenetisch weit verbreitet und hat funktionelle Bedeutung bei der Modulation sowohl des Gewinns als auch der Sensibilität von Verhaltensreaktionen (Engel, 2000 und darin enthaltene Referenzen).

Der Drosophila-Riesenfaserweg, der den visuell induzierten Schreckreflex, eine Sprung-und-Flucht-Fluchtreaktion, vermittelt, wurde auf den Ebenen der neuralen Physiologie und Entwicklung eingehend untersucht. Die Reaktion kann durch elektrische Stimulation des Gehirns eines intakten Tieres hervorgerufen werden, was das Umgehen visueller Eingaben ermöglicht und die Konzentration auf zentrale und motorische Phasen der neuronalen Verarbeitung in einem intakten, verhaltensrelevanten Kreislauf erleichtert. Die Ansprechwahrscheinlichkeit nimmt bei wiederholter elektrischer Stimulation ab. Dieses Reaktionsdekrement zeigt die meisten typischen Merkmale der Verhaltensgewöhnung, einschließlich Frequenzabhängigkeit, Stärkeabhängigkeit, Gewöhnung jenseits der Nullreaktion, spontane Erholung, schnellere Wiedergewöhnung, Gewöhnung und Gewöhnung an Gewöhnung (Engel, 1996, 1998). Da die elektrische Stimulation den Escape-Reaktionskreislauf nach den Anfangsstadien der sensorischen Verarbeitung rekrutiert, bezieht sich dieser Bericht auf Modifikationsmuster, die „Gewöhnung“ und „Entgewöhnung“ ähneln, als „Reaktionsverringerung“ bzw. „hervorgerufene Erholung“. Dennoch macht die Übereinstimmung mit den Eigenschaften eines breit untersuchten Lernparadigmas die Riesenfaserantwort zu einem nützlichen Modell für genetische Analysen der Verhaltensplastizität und ihrer physiologischen Korrelate auf Schaltkreisebene (Engel, 1996, 1998). Dieser Ansatz hat gezeigt, dass Drosophila-Mutanten, die in assoziativen Lernparadigmen (in Genen, die den cAMP-Stoffwechsel beeinflussen) defekt sind, in einem Gewöhnungsprotokoll auch eine abnorme Antwortverminderung der Riesenfaserantwort zeigen (Engel, 1996, 1998, 2000).

Es wurden mehrere Genloci identifiziert, die eine gewöhnungsähnliche Abnahme der Riesenfaserreaktion beeinflussen, mit Produkten, die Adenylylcyclase (Steckrübe) und cAMP-Phosphodiesterase (Dunce Engel, 1996), K+-Kanal-Untereinheiten mit unterschiedlichen physiologischen Eigenschaften einschließlich Spannungsaktivierung (Shaker, Äther & agrave go-go), Calciumaktivierung (Langweiler) und Kanalmodulation (Hyperkinetisch Engel, 1998) und jetzt PKG (auf Nahrungssuche). Wie die Gene des cAMP-Signalwegs, die das Lernen beeinflussen, auf Nahrungssuche hat pleiotrope Effekte mit möglichen Auswirkungen auf die Fitness (Hughes, 1996, Sokolowski, 1997, Wingrove, 1999). Diese Pleiotropie verläuft parallel auf zellulärer Ebene, auf der diese Genprodukte verschiedene molekulare Ziele und Wirkungen haben. PKG-Serin/Threonin-Kinasen haben zahlreiche Ziele, die neuronale Funktion und Wachstum beeinflussen könnten, wie Ionenkanäle (Stockand, 1996 Carrier, 1997 Taguchi, 1997 Alioua, 1998 Han, 1998 Vaandrager, 1998 Wexler, 1998), ATPasen (z. B. Uneyama, 1998) und Regulatoren der Genexpression (Gudi, 1997, Idriss, 1999). PKG kann mit anderen Second-Messenger-Systemen wie PKA interagieren, entweder durch Regulierung solcher anderen Systeme (Moon, 1998) oder durch Phosphorylierung gemeinsamer Ziele (Lengyel, 1999). Es ist interessant, dass Mutationen von Dunce die die cAMP-Häufigkeit erhöhen, führen zu einer schnelleren reizabhängigen Antwortdekrementierung (Engel, 1996), im Gegensatz zu dem Effekt einer erhöhten PKG-Aktivität in auf Nahrungssuche Rover-Genotypen (Engel, 2000).

Somit ist ein Bild entstanden, in dem die molekularen Mechanismen, die der Reaktionsverringerung in einem Gewöhnungsparadigma zugrunde liegen, wie andere neuronale Plastizität wie LTP, von mehreren biochemischen und genetischen Faktoren beeinflusst werden. Die Redundanz von Reaktionsmodifikationen beeinflussenden Pfaden könnte es daher ermöglichen, die Gewöhnung des Fluchtverhaltens über Generationen hinweg zu modifizieren und zu verfeinern, um eine adaptivere Anpassung an ökologisch relevante Reize zu ermöglichen. Ein wichtiger Punkt ist, dass die auf Nahrungssuche Locus ist in Wildpopulationen als polymorph bekannt. Dies deutet darauf hin, dass die Gewöhnung an die Flucht zwischen den Fliegen in einer natürlichen Population variieren könnte. Die auf Nahrungssuche Locus kann Teil der genetischen Architektur sein, durch die Plastizität und Empfindlichkeit der Fluchtreaktion im Laufe der Evolution fein abgestimmt wurden (Engel, 2000).

Es wurde festgestellt, dass die Abnahmerate der Reaktion mit der PKG-Aktivität und dem Nahrungssuchverhalten korreliert: Die Abnahme der elektrisch induzierten Reaktion war am schnellsten bei Genotypen, von denen zuvor gezeigt wurde, dass sie eine niedrige PKG-Aktivität und ein sitzendes Nahrungssuchverhalten aufwiesen. Unterschiede in der spontanen Erholung nach einer Reaktionsverminderung während einer Ruhepause von der Stimulation und in der entwöhnungsähnlichen Erholung wurden durch einen neuen Reiz (einen Luftstoß) hervorgerufen. Die Daten legen nahe, dass diese Unterschiede bei der spontanen Erholung und der evozierten Erholung sekundäre Folgen unterschiedlicher Ansprechraten sein können. Dies weist auf die gegenseitige Abhängigkeit mehrerer Plastizitätsprozesse bei der reizabhängigen Reaktionsverminderung der Riesenfaserreaktion hin. Die Daten lassen zudem die Möglichkeit aufkommen, dass zwei Prozesse mit unterschiedlichen Zeitverläufen zum Antwortdekrement beitragen (Engel, 2000).

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass PKG die gewöhnungsähnliche Reaktionsverringerung in einem identifizierten neuronalen Schaltkreis intakter angebundener Fliegen beeinflusst. Daraus lässt sich vermuten, dass PKG auch an anderen Lernformen beteiligt sein kann. Es wurde gezeigt, dass cAMP-Signalwege, die beim assoziativen Lernen bei Fliegen eine wesentliche Rolle spielen, auch die reizabhängige Abnahme der Riesenfaserantwort beeinflussen (Engel, 1996). Die vorliegenden Ergebnisse legen nahe, dass die Modulation der Escape-Reaktion das Ausgleichen mehrerer Second-Messenger-Systeme beinhalten könnte. Ein neuer Phänotyp im Erwachsenenstadium des auf Nahrungssuche Lokus definiert wurde.Schließlich wurde gezeigt, dass verhaltensrelevante neuronale Plastizität in einem identifizierten Schaltkreis durch einen genetischen Polymorphismus an einem einzigen Ort beeinflusst werden kann (Engel, 2000).

Das Reaktionsdekrement der induzierten Riesenfaserreaktion mit langer Latenz wurde durch elektrische Stimulation untersucht. Diese Behandlung umgeht die Anfangsstadien der visuellen Verarbeitung, um Afferenzen zu den absteigenden Riesenfasern zu rekrutieren (Engel, 1996). Die Ansprechraten werden stark von der allelischen Variation in der beeinflusst auf Nahrungssuche Gen. Sitter-Bestände zeigen im Vergleich zwischen den beiden künstlich induzierten Allelen oder den beiden natürlichen Allelen ein schnelleres Ansprechen als Rover. Der dramatischste Unterschied bestand zwischen künstlich erzeugten Allelen durch P-Element Insertion und Excision. für 189Y zeigte einen schnelleren Ansprechverlust als jede andere Linie in dieser Studie. Die Fülle an auf Nahrungssuche PKG ist ziemlich niedrig in für 189Y (Osborne, 1997). Im Gegensatz, für E1 zeigten bei der Standard-Stimulationsfrequenz von 5 Hz kaum ein Ansprechen. Tatsächlich einige für E1 Fliegen konnten mit Reizfrequenzen von 30 Hz oder höher getrieben werden, ohne dass Fehler auftraten. für E1 entstand durch Herausschneiden des P-Elements aus dem auf Nahrungssuche ort in für 189Y Rover-Verhalten und hohe PKG-Abundanz werden wiederhergestellt in für E1 relativ zu für 189Y (Engel, 2000).

Zwischen den natürlich vorkommenden Allelen wurden subtilere Unterschiede beobachtet. für s Fliegen zeigten einen schnelleren Reaktionsabfall als für R . Fliegt homozygot für jeden der beiden auf Nahrungssuche Allele für R und für s unterscheiden sich in ihrem Grad der PKG-Aktivität (Osborne, 1997). für R ist genetisch dominant zu für s für den Nahrungssuche-Phänotyp der Larven (de Belle, 1987), aber intermediär für die Nahrungssuche von Erwachsenen (Pereira, 1993). Wie beim erwachsenen Nahrungssuchverhalten ist heterozygotes F1 Nachkommen (für R /für s ).

Die in dieser Studie beschriebenen Experimente wurden innerhalb eines einzigen Jahres (1999) durchgeführt. Die für R und für s Bestände wurden 1996 ebenfalls nach diesem gewöhnungsähnlichen Protokoll getestet. In diesen früheren Tests war die absolute Resistenz gegenüber einer Abnahme der Reaktion bei beiden Genotypen größer als im Jahr 1999, aber für s zeigte erneut eine schnellere Reaktionsabnahme als für R . In ähnlicher Weise haben wiederholte Messungen des Nahrungssuchverhaltens von Larven und Erwachsenen gezeigt, dass es die relativen Unterschiede zwischen Rovern und Sittern sind, nicht die absoluten mittleren Verhaltenswerte, die über Tests hinweg aufrechterhalten werden, die zu verschiedenen Zeiten oder in verschiedenen Labors durchgeführt wurden (Engel, 2000).

Unterschiede wurden bei der spontanen Erholung nach einer Abnahme der elektrisch induzierten Reaktion mit langer Latenzzeit beobachtet. Die Fliegen wurden zuerst zu einem Reaktionsverringerungskriterium von fünf aufeinanderfolgenden Ausfällen stimuliert (was auf eine geringe Reaktionswahrscheinlichkeit hinweist). Ein Maß für die spontane Erholung ist die Reaktionswahrscheinlichkeit für den ersten Reiz, der nach 5 Sekunden Ruhe gegeben wird. Eine Ruhezeit von 5 Sekunden reicht normalerweise aus, damit die Ansprechwahrscheinlichkeit auf nahezu 100 % zurückkehrt, selbst bei Genotypen mit sehr raschem Ansprechen-Dekrement (Engel, 1996, 1998). Eine vollständige Erholung der Reaktion wurde beobachtet für für R und für s fliegt auch für R /für s Heterozygoten. Jedoch, für 189Y Fliegen erholten sich innerhalb von 5 Sekunden nicht vollständig (Engel, 2000).

Ein zweites Maß für die Erholung ist der Widerstand gegen eine Abnahme der Reaktion innerhalb einer nachfolgenden Reizepisode. Dies wurde als die Anzahl der Reaktionen quantifiziert, die vor dem Erreichen des Fünf-Fehler-Dekrement-Kriteriums während Stimulus-Kämpfen, die nach verschiedenen Erholungsintervallen abgegeben wurden, evoziert wurden. Der Widerstand gegen das Dekrementieren der Reaktion integriert die Leistung über die gesamte Reizphase und nicht nur über den ersten Reiz. Die zum Genotypen zeigten deutliche Unterschiede in ihrem Erholungsgrad gegenüber den anfänglichen Ansprechraten. Die absoluten Antwortzahlen nach der Wiederherstellung waren am höchsten für für R , dem am langsamsten dekrementierenden Bestand, und waren bei schneller dekrementierenden Genotypen zunehmend niedriger. Wenn jedoch die mittleren Antwortzahlen durch die Erstanstoß-Antwortzahlen geteilt wurden, um normalisierte Erholungsindizes zu erhalten, wurde diese Rangfolge umgekehrt: Die höchsten Erholungsindizes wurden bei schnell abnehmenden Sitter-Genotypen gezeigt, insbesondere nach 30- und 120-sekündigen Erholungsintervallen. Wenn die Antwortscores nach der Erholung logarithmisch transformiert wurden, wodurch die Ergebnisse innerhalb der Genotypen effektiv normalisiert wurden, während die Skalenunterschiede zwischen den Genotypen beibehalten wurden, zeigten die kinetischen Erholungsprofile ein ähnliches Rangmuster, wobei die höchsten Erholungsgrade nach 30- und 120-Sekunden-Intervallen gezeigt wurden durch schnell dekrementierende Genotypen (Engel, 2000).

Der leichte Grad der spontanen Erholung zwischen 30 und 120 Sekunden deutet darauf hin, dass zusätzlich zu einer kurzfristigen Komponente des Ansprechens, die sich in weniger als 30 Sekunden erholt, auch eine langfristige Komponente des Ansprechens mit langsamerem Einsetzen und langsamerer Erholungskinetik vorhanden ist die über mehrere Reizschübe stärker wird und sich mit einem Zeitverlauf von mehr als 120 Sekunden erholt. In früheren Arbeiten wurden 30- oder 120-sekündige Erholungsintervalle nach einem einzigen vorherigen Stimulus-Angriff (in verschiedenen Fliegengruppen) getestet, und mit diesem Protokoll war die Erholung auf die Ansprechraten nach dem ersten Anfall fast vollständig (Engel, 1996, 1998). ). In den vorliegenden Experimenten erhielt jede Fliege vier Reizanfälle, die durch Intervalle von 5, 30 und 120 Sekunden getrennt waren, so dass 30- und 120-sekündige Erholungsintervalle nach zwei oder drei vorherigen Reizanfällen getestet wurden (anstelle eines vorherigen Anfalls wie in die früheren Studien). Es scheint, dass zusätzliche vorangegangene Reizanfälle den Zustand des Reaktionspfades beeinflussten, obwohl jeder Anfall mit einem konsistenten Antwortverringerungskriterium von fünf Misserfolgen endete (Engel, 2000).

Eine sich langsam entwickelnde Komponente des Reaktionsdekrements könnte bei langsam dekrementierenden Fliegen am deutlichsten sein, da sie in den zwei oder drei Kämpfen vor dem Erholungsintervall einer größeren Anzahl von Reizen ausgesetzt sind. In Übereinstimmung damit wurden die niedrigsten 30- und 120-sekündigen Erholungsindizes von den am langsamsten dekrementierenden Genotypen gezeigt. Um diese Beziehung direkter zu untersuchen, wurden normalisierte Erholungsindizes für einzelne Fliegen aller Genotypen gegen die Gesamtzahl der Stimuli aufgetragen, die in den Kämpfen vor dem Erholungsintervall gegeben wurden. Nach 30- oder 120-Sekunden-Intervallen waren die Erholungsindizes umgekehrt proportional zur Anzahl der vorherigen Stimuli. Diese Beziehung war am deutlichsten für den Bereich von 50 bis 300 vorherigen Stimuli, was darauf hindeutet, dass diese langsame Komponente der Reaktionsverringerung nach 300 Stimuli gesättigt wurde und dass andere Faktoren bei weniger als 50 vorherigen Stimuli mehr zur Reaktionsvariation beitrugen. Nach dem kürzesten Erholungsintervall von 5 Sekunden war die Beziehung schwach. Dies deutet darauf hin, dass die Erholung von einem kurzfristigen Prozess der Reaktionsverminderung der vorherrschende Faktor während der ersten 5 Sekunden nach dem Ende eines Kampfes ist (Engel, 2000).

Das Potenzial, mehrere Komponenten einer gewöhnungsähnlichen Reaktionsabnahme in diesem System zu unterscheiden, erfordert weitere Untersuchungen. Hier ist es am wichtigsten zu beachten, dass zum Genotypen zeigten Unterschiede in der Wiederfindung, wenn sie nach einem einheitlichen Protokoll getestet wurden (Engel, 2000).

Die Erholung der Riesenfaserreaktion mit langer Latenz kann durch einen neuartigen Stimulus wie einen Luftstoß in einem Entwöhnungsprotokoll hervorgerufen werden (Engel, 1996, 1998). Eine eindeutig evozierte Erholung konnte in jedem Stamm gezeigt werden, außer für 189Y . Die Anzahl der Antworten für die 20 Stimuli nach einem Luftstoß oder „Schein-Puff“ (jeweils gemittelt aus fünf Wiederholungen) wurde durch die Anzahl der Antworten zu Beginn der Kämpfe geteilt, was Test- bzw. Kontrollwerte ergab. Das operative Kriterium für die evozierte Erholung war ein Testergebnis, das größer als das Doppelte des Kontrollwertes war. Eine evozierte Erholung wurde am häufigsten bei langsam dekrementierenden Genotypen beobachtet (für R und für R /für s ). Unter den Fliegen, die nach dieser Definition eine evozierte Erholung zeigten, war das Ausmaß der Erholung (der Testwert) auch bei langsam dekrementierenden Genotypen am größten (Engel, 2000).

Wenig für E1 Fliegen zeigten bei der Standard-Stimulationsfrequenz von 5 Hz ein Ansprechdekrement auf das Fünf-Fehler-Kriterium. Bei höheren Reizfrequenzen für E1 Fliegen zeigten ein gewöhnungsähnliches Reaktionsdekrement, gekennzeichnet durch synchronen Verlust von Reaktionen in DLM (Dorsal Longitudinal Muscle) und TTM (Tergotrochanteral Muscle), spontane Erholung und Erholung durch einen Luftstoß (Engel, 2000).

Latenz und Refraktärzeit sind Indikatoren für die Integrität der neuronalen Konnektivität und Signalübertragung im Riesenfaserweg. Zwei Reaktionsklassen, hervorgerufen durch unterschiedliche Reizspannungen, geben Aufschluss über unterschiedliche Teile der Schaltung. Schwache Reize rufen eine Reaktion mit langer Latenz hervor, indem sie afferente Neuronen stromaufwärts der Riesenfasern rekrutieren, während stärkere Reize eine Reaktion mit kurzer Latenz auslösen, indem sie die Riesenfasern direkt aktivieren (Engel, 1996). Die Reaktion mit langer Latenz kann Eigenschaften von Verbindungen im Gehirn aufdecken, die nicht zur Reaktion mit kurzer Latenz beitragen. Der thorakale Teil des Schaltkreises (der sowohl bei langen als auch bei kurzen Latenzreaktionen aktiviert wird) kann Informationen darüber liefern, wie Mutationen die neuronale Funktion innerhalb eines Netzwerks identifizierter Neuronen beeinflussen. Der TTM-Zweig hat eine einzelne elektrochemische neuronale Synapse auf dem TTM-Motoneuron, während der DLM-Zweig zwei Synapsen enthält, eine scheinbare elektrochemische Synapse der zervikalen Riesenfaser auf das peripher synapsierende Interneuron (PSI)-Neuron und cholinerge Synapsen des PSI auf den DLM-Motoneuronen (Engel, 2000 und Referenzen darin).

Antwortlatenzen unterschieden sich zwischen für E1 und für 189Y für die Antwort mit langer Latenz, aber nicht für die Antwort mit kurzer Latenz. Die Latenz (aber nicht die Refraktärzeit oder die Ansprechverringerung in einem Gewöhnungsprotokoll) wird signifikant von der Umgebungstemperatur beeinflusst (Engel, 1996). Die Antwortlatenzen wurden getestet auf für E1 und für 189Y unter ähnlichen Temperaturbedingungen und während der gleichen Tage. Die Antwortlatenzen unterschieden sich nicht, wenn andere Genotypen verglichen wurden (Engel, 2000).

Die im thorakalen Teil des Riesenfaserwegs vermittelte Doppelpulsrefraktärzeit der kurzen Latenzzeit hat sich als empfindlicher Indikator für Defizite in grundlegenden physiologischen Eigenschaften wie Senderverarbeitung und Ionenkanalfunktion erwiesen. Refraktärzeiten mit kurzer Latenzzeit wurden durch die Allelvariation am nicht signifikant beeinflusst auf Nahrungssuche Ort. Die Refraktärzeit der Reaktion mit langer Latenz, die im afferenten Teil der Bahn vermittelt wird, ist ein Indikator für die Eigenschaften des Gehirnteils des Kreislaufs (Engel, 1996, 1998). Die Refraktärzeit mit langer Latenz war bei Genotypen mit langsamerem reizabhängigen Antwortdekrement tendenziell kürzer. Das ist am klarsten, wenn für E1 und für 189Y verglichen (Engel, 2000).

Es ist interessant, dass für E1 und für 189Y zeigten Unterschiede in den Reaktionseigenschaften, die auf den afferenten Teil der Nervenbahn beschränkt waren, da diese Bestände einen extremen Unterschied in der Reaktionsverringerung im Gewöhnungsprotokoll zeigten, der auch im afferenten Teil der Nervenbahn vermittelt wird. Trotz dieser Unterschiede ist klar, dass der riesige Faserweg in allen auf Nahrungssuche Genotypen getestet. Die extremen Auswirkungen auf die Antwortlatenz oder die Refraktärzeit mit kurzer Latenz, die bei Mutationen, die Ionenkanäle oder die synaptische Integrität beeinträchtigen, berichtet wurden, wurden bei Genotypen mit unterschiedlicher PKG-Aktivität nicht gefunden (Engel, 2000).

Diese Ergebnisse weisen stark darauf hin, dass die auf Nahrungssuche PKG beeinflusst die gewöhnungsähnliche Reaktionsverminderung bei der elektrisch induzierten Riesenfaserreaktion. Künstlich induzierte Allele (für E1 und für 189Y ) definierte den Einfluss von PKG auf die Antwortverminderung der Riesenfaserreaktion und bescheidenere natürlich vorkommende genetische Varianten (für R und für s ) zeigte ähnliche, aber subtilere Effekte. Bei Vergleichen zwischen verschiedenen Genotypen an der PKG auf Nahrungssuche Locus war das Ansprechen bei Genotypen mit häufigerem PKG langsamer (für E1 und für R ) als bei Genotypen mit weniger PKG (für 189Y und für s ). Es ist interessant, dass die Ansprechrate, die Ansprechlatenz und die Refraktärzeit extremer waren in für E1 als der Wildrover-Genotyp für R . Es ist möglich, dass eine ungenaue Exzision des P-Elements aus für 189Y führte zu einem stärker exprimierenden Allel in für E1 als die ursprünglichen Eltern zum Allel, von dem für 189Y entstand. Sequenzierung von für E1 , das derzeit in Arbeit ist, sollte dazu beitragen, diese Möglichkeit zu lösen. Die Unterschiede in der Abnahme der Ansprechrate folgten einem semidominanten Vererbungsmodus, wie gezeigt durch für R /für s Heterozygoten. Semidominante Vererbung wurde auch für die Phänotypen der erwachsenen Rover und Sitter bei der Nahrungssuche (Engel, 2000) berichtet (Pereira, 1993).

Wiederherstellungsergebnisse zeigen, dass auf Nahrungssuche beeinflusst die spontane Erholung vom reizabhängigen Reaktionsdekrement. Die Ergebnisse implizieren auch die Existenz unterschiedlicher Komponenten dieses gewöhnungsähnlichen Reaktionsdekrements mit unterschiedlichen Kinetiken des Einsetzens und der Erholung, die teilweise für genetische Unterschiede in den Erholungsphänotypen verantwortlich sein könnten. Die Ähnlichkeit der Erholungsindizes nach entweder 30- oder 120-sekündigen Erholungsintervallen deutet auf eine langfristige Komponente der Ansprechverringerung hin. Für diese Intervalle korreliert die Erholung des Widerstands gegen nachfolgende Reaktionsverminderung mit der Anzahl der Reize, die vor dem Erholungspausenintervall gegeben wurden (Engel, 2000).

Sitter-Genotypen mit niedriger PKG-Expression zeigten die größte Erholung der Resistenz gegenüber einer Abnahme der Reaktion nach 30- und 120-Sekunden-Intervallen. Allerdings zeigten diese Fliegen auch eine schnellere Reaktionsdekrementierung in anfänglichen Reizanfällen und erlebten in allen Kämpfen vor dem Erholungstest weniger Reize und waren daher möglicherweise weniger einer langfristigen Komponente der Reaktionsdekrementierung ausgesetzt. Daher können Unterschiede in den Reaktionsabnahmeraten indirekt zu den beobachteten genetischen Unterschieden in den Erholungsindizes für 30 und 120 Sekunden beigetragen haben. Dies würde nicht ausschließen, dass PKG auch bei physiologischen Prozessen eine Rolle spielen könnte, die der spontanen Erholung per se zugrunde liegen (Engel, 2000).

Die frühe Erholung nach einem reizabhängigen Reaktionsdekrement scheint von einer kurzfristigen Komponente des Reaktionsdekrements dominiert zu werden. Die Erholungsindizes stiegen zwischen 5 und 30 Sekunden nach Beendigung des vorhergehenden Stimulus-Angriffs erheblich an, und die Reaktionswahrscheinlichkeit erholte sich bei einigen Genotypen nach 5 Sekunden nicht auf 100 %. Die Ansprechwahrscheinlichkeit für den ersten Stimulus nach einem 5-sekündigen Erholungsintervall zeigte eine vollständige Erholung in für s und für R aber erholte sich nicht vollständig in für 189Y Fliegen, die in dieser Studie den schnellsten Ansprechverlust zeigten und eine niedrige PKG-Expression aufweisen (Osborne, 1997). Im Gegensatz zur Wiedererlangung der Resistenz gegen eine nachfolgende Reaktionsverminderung konnte dieser genetische Effekt nicht auf eine unterschiedliche Exposition gegenüber einem langfristigen Reaktionsverringerungsprozess zurückzuführen sein, da für 189Y Fliegen erlebten tatsächlich die geringste Anzahl von Reizen vor dem 5-Sekunden-Erholungsintervall. Dieses Ergebnis legt nahe, dass PKG die Wiederherstellung der Wahrscheinlichkeit einer Reaktion auf einen einzelnen Reiz nach vorheriger Abnahme der Reaktion erleichtern kann (Engel, 2000).

Die evozierte Erholung in einem Entwöhnungsprotokoll war in der am schnellsten abnehmenden . am schwächsten auf Nahrungssuche Genotypen. Diese Ergebnisse können auf eine direkte Beteiligung von PKG-Signalwegen bei der evozierten Erholung hinweisen. Alternativ könnte eine schnellere Abnahme der Ansprechrate bei Sitter-Genotypen die evozierte Erholung auf indirekte Weise wie folgt verringert haben. Unter der Annahme einer äquivalenten Aktivierung von Erholungsprozessen durch einen Luftstoß bei allen Genotypen könnte eine schnellere Abnahme der Reaktion nach dem Luftstoß die beobachtete Erholung verringern. Da darüber hinaus bei allen Genotypen ein Standard-Dekrement-Kriterium von fünf aufeinanderfolgenden Ausfällen dem Puff vorausging, könnte eine schnelle Rate der "latenten" Reaktions-Dekrement während der fünf Kriterien-Stimuli eine tiefere Reaktions-Dekrement-Stufe bewirken, von der sich der Kreislauf zum Zeitpunkt von . erholen kann der Luftstoß (Engel, 2000).

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die auf Nahrungssuche PKG könnte die beobachteten Niveaus der spontanen Erholung und der evozierten Erholung teilweise durch eine Veränderung der Rate der reizabhängigen Reaktionsverringerung beeinflussen. Ähnliche Entsprechungen zwischen Reaktionsdekrementraten, spontaner Erholung und evozierter Erholung können für cAMP-Stoffwechselmutanten beobachtet werden. Dies unterstreicht die Wechselbeziehung dieser drei Prozesse im Riesenfasersystem. Ein Ziel für die Zukunft ist es zu bestimmen, inwieweit diese Phänomene unabhängig durch Mutationen verändert werden können und somit unabhängige molekulare Mechanismen beinhalten (Engel, 2000).

Unterschiede wurden in den Antwortlatenzen und Refraktärzeiten der für E1 und für 189Y Genotypen. Diese Effekte wurden bei der Reaktion mit langer Latenz, nicht jedoch bei der Reaktion mit kurzer Latenz beobachtet, was darauf hindeutet, dass sie im afferenten oder Gehirnsegment des Riesenfaserwegs vermittelt werden, in dem auch ein gewöhnungsähnliches Reaktionsdekrement vermittelt wird (Engel, 1996, 1998). ). Allerdings stehen die Ansprechrate und die Refraktärzeit mit langer Latenz möglicherweise nicht in einem funktionellen Zusammenhang. Frühere Studien mit Mutationen, die cAMP-Kaskaden betreffen (Engel, 1996) und K+ Kanäle (Engel, 1998) zeigten keine starke Korrelation zwischen der Ansprechverringerung in einem Gewöhnungsprotokoll und der Refraktärzeit. Darüber hinaus fliegen tragen Shaker und Äther & agrave go-go K+ Kanalmutationen haben Refraktärzeiten vergleichbar mit für E1 zeigen aber ein viel schnelleres Ansprechdekrement (Engel, 1998). Frühere Studien (Engel, 1992, 1996, 1998) haben gezeigt, dass der thorakale Teil des Riesenfaserwegs selbst bei Genotypen mit sehr raschem Ansprechen-Dekrement qualitativ normale Eigenschaften aufweisen kann. In Übereinstimmung damit unterschieden sich die Refraktärzeiten mit kurzer Latenz und die Latenzen nicht zwischen auf Nahrungssuche Genotypen, sogar der sehr schnell dekrementierende Genotyp für 189Y (Engel, 2000).

Die Ergebnisse assoziieren eine hohe PKG-Expression mit einer langsamen Abnahme der Ansprechrate in einem Gewöhnungsprotokoll, zeigen jedoch nicht den Mechanismus, der dieser Assoziation zugrunde liegt. PKG kann eine direkte Rolle bei der Plastizität spielen, entweder durch Herunterregulieren eines physiologischen Prozesses, der der Reaktionsdekrementierung zugrunde liegt, oder durch Verstärkung eines begleitenden Prozesses der Reaktionssensibilisierung wie in einem dualen Prozessmodell. Alternativ könnte eine hohe PKG-Expression die Reaktionsdekrementierung auf weniger direkte Weise beeinflussen, indem sie den physiologischen oder entwicklungsbezogenen Kontext, in dem sie auftritt, modifiziert. Wenn beispielsweise die PKG die grundlegenden Eigenschaften der neuronalen Leitung oder der synaptischen Übertragung verbessert, so dass das neuronale Signal zunächst stärker ist, könnte es länger dauern, bis normal funktionierende Mechanismen, die der reizabhängigen Antwortverminderung zugrunde liegen, zu fehlgeschlagenen Antworten führen. Die Verbesserung der neuronalen Reaktionseigenschaften würde mit der für E1 Phänotyp verkürzter Latenz und Refraktärzeit der langanhaltenden Reaktion, Parameter, die im afferenten Teil des Riesenfaserwegs vermittelt werden, ebenso wie das gewöhnungsähnliche Reaktionsdekrement (Engel, 2000).

PKG scheint solche grundlegenden funktionellen Eigenschaften in verschiedenen Teilen des Fliegennervensystems unterschiedlich zu beeinflussen. Variation in auf Nahrungssuche Genotyp hatte keinen Einfluss auf die Latenz oder die Refraktärzeit der Reaktion mit kurzer Latenz, Parameter, die im thorakalen Teil des Signalwegs vermittelt werden. Darüber hinaus ist eine reduzierte PKG-Aktivität bei Sitter-Genotypen mit einer Übererregbarkeit und einem verstärkten Aussprossen der Nervenenden an den neuromuskulären Verbindungen der Larven und mit reduziertem K . verbunden+ Ströme und erhöhte Membranerregbarkeit in einer signifikanten Population von Neuronen in dissoziierten embryonalen Kulturen (Renger, 1999). Diese Beobachtungen legen eine weit verbreitete Rolle von PKG im Nervensystem von Fliegen nahe (Engel, 2000).

Das soziale Umfeld beeinflusst die Leistung bei einer kognitiven Aufgabe in natürlichen Varianten des auf Nahrungssuche Gen

Bei Drosophila melanogaster ist die natürliche genetische Variation im auf Nahrungssuche Gen (zum) beeinflusst das Nahrungssucheverhalten von Larven und erwachsenen Fliegen, das Belohnungslernen der Larven, das visuelle Lernen von Erwachsenen und aversive Trainingsaufgaben bei Erwachsenen. Sitzer (zum s) sind eher sesshaft und aggregieren innerhalb von Nahrungsfeldern, während Rover (zum R) haben eine größere Bewegung innerhalb und zwischen Nahrungsfeldern, was darauf hindeutet, dass diese natürlichen Varianten wahrscheinlich unterschiedliche soziale Umgebungen erleben. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der soziale Kontext das Verhalten von Rover und Sitter bei einer kognitiven Aufgabe unterschiedlich beeinflussen würde. Die Leistung der erwachsenen Rover und Sitter wurde in einem klassischen olfaktorischen Trainingstest in Gruppen und allein gemessen. Alle Fliegen wurden in Gruppen aufgezogen, aber das Fliegentraining und die Tests wurden allein und in Gruppen durchgeführt. In einer Gruppe trainierte und getestete Sitzer wiesen signifikant höhere Lernleistungen auf als allein trainierte und getestete Sitzer. Rovers schnitten ähnlich ab, wenn sie alleine und in einer Gruppe trainiert und getestet wurden. Mit anderen Worten, die Lernfähigkeit der Rover ist unabhängig von Gruppentraining und Tests. Dies deutet darauf hin, dass Sitter möglicherweise sensibler auf den sozialen Kontext reagieren als Rover. Diese Unterschiede in der Lernleistung können durch pharmakologische Manipulationen der PKG-Aktivitätsniveaus verändert werden auf Nahrungssuche Genprodukt des Gens. Lernen und Gedächtnis werden auch von der Art der sozialen Interaktion (in einer Gruppe desselben Stamms oder in einer Gruppe eines anderen Stamms) bei Rovern, jedoch nicht bei Sittern, beeinflusst. Diese Ergebnisse legen nahe, dass zum vermittelt soziales Lernen und Gedächtnis bei D. melanogaster (Kohn, 2013).

Diese Studie ergab, dass assoziatives Lernen in D. melanogaster durch den sozialen Kontext beeinflusst wurde und dass dieser Effekt durch natürliche Variationen in der auf Nahrungssuche Gen, das PKG kodiert. Die Sitter mit niedrigerem PKG hatten, wenn sie allein trainiert und getestet wurden, einen signifikant niedrigeren PI als Sitter, die in Gruppen trainiert und getestet wurden. Gruppen- und Einzeltraining und Tests hatten keinen Einfluss auf den PI der Rover. Auch eine Änderung des sozialen Kontexts zwischen Training und Test beeinflusste die Leistung des Sitters, aber nicht die Leistung des Rovers. Das heißt, die Leistung des Sitzers war signifikant geringer, wenn er in einer Gruppe trainiert und dann alleine getestet wurde (oder umgekehrt). Diese Forschung erweitert nicht nur frühere Arbeiten, die zeigen, dass soziale Erfahrungen den Gedächtnisabruf in D. melanogaster, zeigt aber auch innerhalb der Spezies Variationen dieser Effekte (Kohn, 2013).

Um besser zu verstehen, wie sich PKG auf die Auswirkungen des sozialen Kontexts auswirkt, werden die PKG-Spiegel in einzelnen Fliegen pharmakologisch manipuliert, um Rover in Sitter und Sitter in Rover zu „verwandeln“ (Dawson-Scully, 2010). Es wurde festgestellt, dass PKG das assoziative Lernen in einem sozialen Kontext moduliert. Hohe PKG-Werte scheinen das Lernen in einem Einzelkontext zu verbessern, da die Leistung des Sitzenden verbessert wurde, wenn die PKG-Aktivität erhöht wurde. Im Gegensatz dazu verringerte eine pharmakologisch erniedrigte PKG-Aktivität die Rover-Leistung. Dies deutet darauf hin, dass das PKG-Aktivitätsniveau den Mangel an Lernleistung ausgleichen kann, der festgestellt wird, wenn die Sitzenden allein sind (Kohn, 2013).

Die Ergebnisse legen nahe, dass Sitter-Varianten empfindlicher auf den sozialen Kontext reagieren als Rover. Angesichts dessen, was über Unterschiede in den Bewegungsmustern von Sitter und Rover während der Nahrungssuche bekannt ist, mag dieser Befund nicht überraschen. Rover besuchen mehr Patches, legen größere Entfernungen zurück und neigen dazu, frühere Patches im Vergleich zu Sittern nicht erneut zu besuchen. Daher können Sitzer, die dazu neigen, geselliger zu sein, weniger Variationen in den sozialen Interaktionen erfahren. Soziale Isolation – insbesondere in einem Lernkontext – könnte somit Ablenkung oder Stress für die Sitzenden darstellen (Kohn, 2013).

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Rover nach dem Training persönliche Informationen gegenüber öffentlichen Informationen verwenden. Ihr Leistungsindex (PI) wurde nicht durch die potenziell ablenkende Anwesenheit naiver Fliegen während des Tests verringert. Überraschenderweise war der PI einzelner Rover auch höher, wenn er in einer Gruppe trainierter Sitter getestet wurde, verglichen mit einer Gruppe trainierter Rover. Es ist bekannt, dass Lernen und Gedächtnis durch das allgemeine Stressniveau erleichtert oder beeinträchtigt werden. In Drosophila, mechanische Erschütterungen induzieren die Freisetzung von „Drosophila Stressodorant“ (hauptsächlich CO2). Variationen zwischen Rover- und Sitter-Stämmen in der Freisetzung oder Empfindlichkeit gegenüber Stressgeruchsstoffen könnten möglicherweise ihre Leistung im T-Labyrinth beeinträchtigen. Diese potenzielle Form kontextabhängiger sozialer Erleichterung bedarf einer zukünftigen Untersuchung (Kohn, 2013).

Interessanterweise nutzten Rover-Fliegen, wenn nur öffentliche Informationen verfügbar waren, diese Informationen, während Sitter-Fliegen dies nicht taten. Naïve-Rover, die in eine Gruppe von geschulten Sittern eingeführt wurden, hatten einen positiven PI, was darauf hindeutet, dass sie geschulten Sittern folgten. Naïve Rover, die in eine Gruppe von trainierten Rovern eingeführt wurden, hatten keinen positiven PI. Sitter folgten jedoch keinen ausgebildeten Rovern oder ausgebildeten Sittern. Dieses Verhalten des Rovers könnte auf eine Art des Teilens von „öffentlichen Informationen“ von Sittern hindeuten. Der Informationsaustausch wurde beobachtet in D. melanogaster werbendes Verhalten. Es ist wichtig zu beachten, dass trainierte Rover keinen trainierten oder naiven Sittern folgten, daher hängt die Wirkung vom Zustand des einzelnen Rovers ab. Es kann sein, dass Rover eine Strategie des „Kopierens bei Unsicherheit“ verwenden (Kohn, 2013).

In der Natur, D. melanogaster Erwachsene sammeln sich an Nahrungsquellen, wo eine Reihe von Sozialverhalten stattfindet, einschließlich Nahrungsaufnahme, Balz, Paarung und Eiablage. Frühere Forschungen zu Fliegen legen nahe, dass die Komplexität des Nahrungssuchverhaltens kein individueller Prozess ist, sondern soziale Interaktionen zwischen Individuen erfordert (Tinette, 2004, Tinette 2007). Zum Beispiel beeinflussen soziale Interaktionen zwischen Fliegen, welche spezifischen Nahrungsfelder ausgewählt werden. Zuerst durchsuchen „Primer-Fliegen“ zufällig die Umgebung und landen auf verschiedenen Nahrungsfeldern. Gruppen von Folgefliegen sammeln sich dann basierend auf sozialen Interaktionen auf den günstigsten Nahrungsplätzen. Mehrere Lernmutanten (z. B. Dunce und Steckrübe) haben nachweislich erhebliche Auswirkungen auf diese komplexen sozialen Interaktionen mit Suchaggregation, die am Suchverhalten von Lebensmitteln beteiligt sind. Dies deutet auf eine mögliche Überlappung der Signalwege der Entscheidungsprozesse beim Nahrungssuchverhalten und denen beim Lernen hin (Kohn, 2013).

Neuere Untersuchungen legen nahe, dass auch ein Stickstoffmonoxid (NO)-Signalweg an sozialen Interaktionen im Zusammenhang mit dem Suchaggregationsverhalten beteiligt sein könnte (Tinette, 2007). Mutanten der löslichen Guanylatcyclase (sGC) zeigten deutliche Mängel in einer Reihe von Suchaggregationsverhalten, darunter eine verminderte Leistung bei der explorativen Aggregation, eine Trennung der Exploration von Geruchs- und Geschmackshinweisen und eine mangelnde Präferenz für aggregierte Nahrungsfelder. In ähnlicher Weise zeigten die aktuellen Ergebnisse, dass die PKG-Signalisierung für die Leistung bei einer Entscheidungsaufgabe wichtig ist, bei der Lernen und Gedächtnis wichtig sind. Pharmakologische Behandlungen zeigten, dass einzelne Fliegen mit PKG-Mangel nicht in der Lage waren, eine Lernaufgabe zu erfüllen. Ob diese beiden Verhaltensparadigmen, die NO- und PKG-Signalgebung bei sozialen Entscheidungsaufgaben implizieren, auf einen ähnlichen zugrunde liegenden Mechanismus der Signalgebung und sensorischen Integration hinweisen, muss noch geklärt werden (Kohn, 2013).

Bei der Ameise, Phidole pallidudal, ist bekannt, dass soziale Erfahrung die Aktivität des PKG-Enzyms im Gehirn beeinflusst (Lucas, 2009). Bei Honigbienen, auf Nahrungssuche Gen-RNA-Expression und PKG-Aktivität unterscheiden sich je nach der Rolle der Bienen im Bienenstock, die sozial bestimmt ist. Es ist bekannt, dass PKG sowohl Proteine ​​phosphoryliert als auch transkriptionell wirkt. Die vorliegende Studie liefert weitere Beweise für eine konservierte Rolle der PKG im sozialen Funktionieren. Die molekularen und zellulären Mechanismen, durch die der soziale Kontext die PKG beeinflusst, müssen noch bestimmt werden (Kohn, 2013).

Der soziale Kontext beeinflusst das Lernen, und dies kann teilweise durch die natürliche Variation in einem einzelnen Gen moduliert werden. Variation in der auf Nahrungssuche Gen kann nicht nur beeinflussen, wie Fliegen lernen, sondern auch, wie der soziale Kontext dieses Lernen beeinflusst. Zusammen mit früheren Beweisen, wie zum die soziale Rolle bei Honigbienen und Ameisen beeinflusst, liefert diese Studie neue Beweise für eine soziale Rolle bei Honigbienen und Ameisen Drosophila vorschlagen zum ist ein Kandidatengen für die genetische Erhaltung des Sozialverhaltens. Zusammengenommen tragen diese Ergebnisse zum aufkeimenden Feld des sozial beeinflussten Verhaltens bei D. melanogaster, und demonstrieren die Wirksamkeit der Fruchtfliege als Modell für Studien zum Sozialverhalten. Das Verständnis der Funktion von Genen in sozialen Kontexten ist von grundlegender Bedeutung, um zu verstehen, wie soziales Verhalten funktioniert und wie es sich entwickelt hat (Kohn, 2013).

Epigenetische Mechanismen modulieren Unterschiede im Nahrungssucheverhalten von Drosophila

Es ist wenig darüber bekannt, wie genetische Variation und epigenetische Markierungen interagieren, um Verhaltensunterschiede zu formen. Die Nahrungssuche (für) Gen reguliert Verhaltensunterschiede zwischen den Rover- und Sitter-Drosophila melanogaster-Stämmen, aber die molekularen Mechanismen, durch die dies geschieht, blieben schwer fassbar. Diese Studie zeigt, dass der epigenetische Regulator G9a mit zum zur Regulierung des stammspezifischen Nahrungssucheverhaltens von Erwachsenen durch allelspezifische Histon-Methylierung von a zum Promoter (pr4). Rover haben eine höhere pr4-H3K9me-Dimethylierung, eine niedrigere pr4-RNA-Expression und höhere Nahrungssuche-Scores als Sitter. Die Rover-Sitter-Unterschiede verschwinden in Gegenwart von G9a-Nullmutanten-Allelen, was zeigt, dass G9a für diese Unterschiede notwendig ist. Darüber hinaus können Rover-Nahrungssuche-Scores phänokopiert werden, indem transgen die pr4-Expression in Sittern reduziert wird. Diese zwingenden Beweise zeigen, dass genetische Variation mit einem epigenetischen Modifikator interagieren kann, um Unterschiede in der Genexpression zu erzeugen, was einen Verhaltenspolymorphismus bei Drosophila begründet (Anreiter, 2017).

Rover und Sitter haben einen natürlichen Unterschied im Nahrungssuchverhalten von Erwachsenen, der durch Unterschiede in der G9a-abhängigen Expression der for pr4-Transkripte verursacht wird. pr4 wird von G9a in Rovern und Sittern unterschiedlich methyliert, und diese Studie zeigt, dass pr4 ist allein verantwortlich für den Rover-Sitter-Verhaltenspolymorphismus im erwachsenen Futtersuchverhalten. Dennoch ist G9a nicht der einzige Transkriptionsregulator oder die einzige H3K9-Methyltransferase, die regulierend pr4 Ausdruck. Die Ergebnisse zeigen, dass der Verlust von G9a zu mehr oder weniger H3K9me2 at . führen kann pr4, abhängig von zum Allel vorhanden. Diese Doppelfunktion von G9a wurde bereits bei Mäusen gezeigt, bei denen G9a in der Lage ist, die Genexpression durch Interaktionen mit anderen Proteinen in seinem regulatorischen Komplex sowohl zu unterdrücken als auch zu aktivieren. Während pr4 ist verantwortlich für die Regulierung des Rover-Sitter-Unterschieds im erwachsenen Nahrungssuchverhalten, andere für Promotoren regulieren wahrscheinlich andere zum-verwandte Phänotypen. Tatsächlich zeigen Expressionsdaten, dass andere Promotoren in Rovern und Sittern unterschiedlich exprimiert werden. Zum Beispiel, pr2 wird in Sittern stark exprimiert und in Rovern überhaupt nicht. Die pr2 Expressionsunterschied korreliert auch mit H3K9me2, kann aber nicht allein durch G9a erklärt werden. pr2 und pr4 transkribieren verschiedene Isoformen von zum (P1 bzw. P4), die sich in ihrer Funktion unterscheiden können. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der Ausdruck von zums vier Promotoren könnten durch unterschiedliche regulatorische Komplexe reguliert werden und jeder Promotor könnte unterschiedliche Verhaltensphänotypen beeinflussen (Anreiter, 2017).

Der Unterschied in pr4 Die Expression ist gewebespezifisch und wird vom Gehirn und den Eierstöcken gesteuert. Das zentrale Nervensystem und die Eierstöcke könnten bei der Regulierung des Fressverhaltens eine Rolle spielen, da die Fortpflanzung den größten Energieverbrauch weiblicher Fliegen ausmacht und die Sexualpeptid-Signalisierung in den Fortpflanzungsorganen das Fressverhalten weiblicher Fliegen beeinflusst. Diese Arbeit beleuchtet die komplexe epigenetische Architektur, die der Verhaltensregulation zugrunde liegt (Anreiter, 2017).

Das Fehlen einer DNA-bindenden Domäne legt nahe, dass G9a durch Interaktionen mit DNA-bindenden Proteinen, wie Transkriptionsfaktoren, auf spezifische DNA-Regionen gerichtet ist. SNPs in der Promotorregion könnten zu einer unterschiedlichen Bindung von DNA-bindenden Proteinen führen, die G9a rekrutieren. Zum Beispiel der SNP in pr4 liegt innerhalb einer konservierten Stelle eines mutmaßlichen Mad-Bindungsmotivs und könnte möglicherweise die Mad-Bindung beeinflussen. Wenn Mad eines der Elemente im G9a-Komplex ist, könnte eine geringere Bindung von Mad im Rover-Stamm (die vom SNP vorhergesagt würde) möglicherweise die niedrigere erklären pr4 H3K9me2-Level in Rovern. Wie G9a hat sich gezeigt, dass Mad je nach Kontext sowohl als Repressor als auch als Aktivator der Gentranskription wirkt. Obwohl Mad vor allem für seine Rolle in der Entwicklung bekannt ist, deuten einige Studien darauf hin, dass es im reifen Nervensystem regulatorische Funktionen haben könnte (Anreiter, 2017).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Mechanismen, durch die die epigenetische Regulation Verhaltensunterschiede beeinflusst, wenig verstanden sind. Es hat sich gezeigt, dass die epigenetische Regulation ein Mechanismus ist, durch den Tiere ihr Verhalten und ihre Physiologie an die Umwelt anpassen, in der sie leben. Allerdings reagieren nicht alle Individuen gleich auf die gleichen Umweltreize. In diesem Fall wäre die epigenetische-für-genetische Interaktion ein wichtiger, aber vernachlässigter Bestandteil der Gen-für-Umwelt-Interaktionen. Die Ablagerung epigenetischer Markierungen kann von zugrunde liegenden genetischen Unterschieden abhängen, und genetische Variation spielt wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Milderung epigenetischer Unterschiede zwischen Individuen. Wichtig ist, dass epigenetisch-für-genetische Interaktionen einen Weg darstellen, durch den genetische Variation außerhalb von Genkodierungsregionen die phänotypische Variabilität modulieren kann. Zwei weitere bemerkenswerte Studien an Menschen und Präriewühlmäusen haben Assoziationen zwischen genetischer Variation, DNA-Methylierung und Verhalten berichtet. Diese Studie verwendete die Fruchtfliege, um molekulare Kausalitäten nachzuweisen und definitive Beweise dafür zu liefern, wie die komplexen Wechselwirkungen zwischen Genetik, Epigenetik und isoformspezifischer Genregulation Variationen in natürlich vorkommenden Verhaltenspolymorphismen verursachen (Anreiter, 2017).

Pleiotropie des Nahrungsgens von Drosophila melanogaster auf Merkmale, die mit der Nahrungsaufnahme der Larven zusammenhängen

Über die molekulare Grundlage der Verhaltenspleiotropie ist wenig bekannt. Die Drosophila melanogaster auf Nahrungssuche Das Gen ist stark pleiotrop und betrifft viele unabhängige Phänotypen von Larven und Erwachsenen. Inbegriffen auf NahrungssucheDie multiplen Phänotypen von Larven sind die Länge des Nahrungsweges der Larven, der Triglyceridspiegel und die Nahrungsaufnahme. auf Nahrungssuche hat eine komplexe Struktur mit vier Promotoren und 21 Transkripten, die neun Proteinisoformen einer cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG) kodieren. Diese Studie untersuchte, ob auf Nahrungssuche's komplexe molekulare Struktur liegt der Verhaltens-Pleiotropie zugrunde, die mit diesem Gen verbunden ist. Unter Verwendung einer Promotor-Analysestrategie werden DNA-Fragmente stromaufwärts von jedem von auf Nahrungssuche's Transkriptionsstartstellen wurde kloniert und vier separate für pr -Gal4s wurden generiert. Zur Unterstützung der Hypothese der modularen Funktion hatten sie diskrete, eingeschränkte Expressionsmuster in der gesamten Larve. Im ZNS, für pr1 -Gal4 und für pr4 -Gal4 wurden in Neuronen exprimiert, während für pr2 -Gal4 und für pr3 -Gal4 wurden in Gliazellen exprimiert. Im Magensystem, für pr1 -Gal4 und für pr3 -Gal4 wurden in enteroendokrinen Zellen des Mitteldarms exprimiert, während für pr2 -Gal4 wurde in den Stammzellen des Mitteldarms exprimiert. für pr3 -Gal4 wurde in den Mitteldarm-Enterozyten sowie in den viszeralen Muskeln des Mitteldarms und des Hinterdarms exprimiert. für pr4 -Gal4's Magensystem Expression war auf den Enddarm beschränkt. Im Fettkörper der Larven, in den Speicheldrüsen und in der Körpermuskulatur wurde eine promotorspezifische Expression gefunden. Die Modularität von auf Nahrungssuche's molekulare Struktur zeigte sich auch in den phänotypischen Rettungen. Pfadlänge, Triglyceridspiegel (an der Grenze der Signifikanz) und Nahrungsaufnahme wurden gerettet von für pr0 Null-Larven mit verschiedenen für pr -Gal4s zum Fahren von UAS-zum(cDNA). In einem Null-genetischen Hintergrund der Nahrungssuche, für pr1 -Gal4 war der einzige Promotor, der Gal4 angetrieben hat, um die Länge des Larvenpfades zu retten, für pr3 -Gal4 veränderte Triglyceridspiegel und für pr4 -Gal4 rettete Nahrungsaufnahme. Die Ergebnisse verfeinern den räumlichen Ausdruck, der verantwortlich ist für auf Nahrungssuches assoziierten Phänotypen, sowie die Unterregionen des Locus, die für ihre Expression verantwortlich sind. auf Nahrungssuche's Pleiotropie ergibt sich zumindest teilweise aus den individuellen Beiträgen seiner vier Promotoren (Allen, 2018).

Der Stickstoffmonoxid-zyklische GMP-Weg reguliert FoxO und verändert das Überleben von dopaminergen Neuronen bei Drosophila

Es wird vermutet, dass die Aktivierung des Forkhead-Box-Transkriptionsfaktors FoxO an der dopaminergen (DA) Neurodegeneration in einem Drosophila-Modell der Parkinson-Krankheit (PD) beteiligt ist, in dem ein PD-Genprodukt LRRK2 FoxO durch Phosphorylierung aktiviert. In der aktuellen Studie, die Drosophila-Genetik und biochemische Analyse kombiniert, wurde gezeigt, dass cyclisches Guanosinmonophosphat (cGMP)-abhängige Kinase II (cGKII) auch FoxO am gleichen Rest wie LRRK2 phosphoryliert, und Drosophila-Orthologe von cGKII und LRRK2, DG2/For bzw. dLRRK verstärken die neurotoxische Aktivität von FoxO auf additive Weise. Biochemische Assays unter Verwendung von Säugetier-cGKII und FoxO1 zeigen, dass cGKII die Transkriptionsaktivität von FoxO1 durch Phosphorylierung der FoxO1-S319-Stelle auf die gleiche Weise wie LRRK2 erhöht. Eine Drosophila FoxO-Mutante, die gegenüber der Phosphorylierung durch DG2 und dLRRK resistent ist (dFoxO S259A entspricht humanem FoxO1 S319A) unterdrückte die Neurotoxizität und verbesserte die motorische Dysfunktion, die durch die Koexpression von FoxO und DG2 verursacht wurde. Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS) und lösliche Guanylylzyklase (sGC) erhöhten ebenfalls die Aktivität von FoxO, während die Verabreichung eines NOS-Inhibitors L-NAME den Verlust von DA-Neuronen bei gealterten Fliegen, die FoxO und DG2 koexprimieren, unterdrückte. Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass die NO-FoxO-Achse zur DA-Neurodegeneration bei LRRK2-verbundener PD beiträgt (Kanao, 2012).

Die Gyc76C-Rezeptor-Guanylylzyklase und die Foraging-cGMP-abhängige Kinase regulieren die extrazelluläre Matrixorganisation und die BMP-Signalgebung im sich entwickelnden Flügel von Drosophila melanogaster

Die sich entwickelnden Quervenen des Flügels von Drosophila melanogaster werden durch weitreichende BMP-Signalgebung spezifiziert und reagieren besonders empfindlich auf den Verlust extrazellulärer Modulatoren der BMP-Signalgebung wie das Chordin-Homolog Short Gastrulation (Sog). Die Rolle der extrazellulären Matrix bei der BMP-Signalgebung und der Sog-Aktivität in den Kreuzvenen wurde jedoch nur wenig erforscht. Mithilfe eines genetischen Mosaik-Screenings auf Mutationen, die die BMP-Signalgebung und die posteriore Kreuzvenenentwicklung stören, wurde in dieser Studie Gyc76C identifiziert, ein Mitglied der Rezeptor-Guanyylcyclase-Familie, die natriuretische Peptidrezeptoren von Säugetieren umfasst. Gyc76C und die lösliche cGMP-abhängige Kinase Nahrungssuche, wahrscheinlich verbunden durch cGMP, sind für die normale Verfeinerung und Aufrechterhaltung des weitreichenden BMP-Signalwegs in der posterioren Quervene notwendig. Dies geschieht nicht durch zellautonomes Crosstalk zwischen cGMP und BMP-Signaltransduktion, sondern wahrscheinlich durch veränderte extrazelluläre Aktivität von Sog. Diese Studie identifizierte einen neuen Weg, der von Gyc76C zur Organisation der extrazellulären Matrix des Flügels durch Matrix-Metalloproteinasen führt, und zeigt, dass sowohl die extrazelluläre Matrix als auch die BMP-Signalwirkung weitgehend durch Veränderungen der Aktivität von Matrix-Metalloproteinasen vermittelt werden. Parallelen und Unterschiede zwischen diesem Weg und anderen Beispielen der cGMP-Aktivität sowohl in Drosophila melanogaster als auch in Säugetierzellen und -geweben werden diskutiert (Schleede, 2015).

Die Venenzellen, die sich aus den ektodermalen Epithelien des Flügels von Drosophila melanogaster entwickeln, werden durch eine Reihe von gut charakterisierten interzellulären Signalwegen positioniert, bearbeitet und erhalten. Der Flügel ist leicht zu visualisieren, und spezifische mutierte Venen-Phänotypen wurden mit Veränderungen in spezifischen Signalen in Verbindung gebracht, was den Flügel zu einem idealen Gewebe macht, um Signalmechanismen zu untersuchen, intra- und extrazelluläres Crosstalk zwischen verschiedenen Signalwegen zu identifizieren und neue Signalwegkomponenten zu isolieren (Schleede, 2015).

Der Venenfehler, der Verlust der hinteren Quervene (PCV), wird verwendet, um Teilnehmer an der Signalübertragung des knochenmorphogenetischen Proteins (BMP) zu identifizieren und zu charakterisieren. Das PCV wird am Ende des ersten Tages der Puppenflügelentwicklung gebildet, lange nach der Bildung der Längsvenen (LVs, nummeriert L1-L6) und erfordert eine lokalisierte BMP-Signalgebung in der PCV-Region zwischen L4 und L5. Viele der in frühen genetischen Screens identifizierten homozygoten lebensfähigen kreuzvenenlosen Mutanten haben nun gezeigt, dass sie direkte Regulatoren der BMP-Signalgebung stören, insbesondere solche, die BMPs binden und die BMP-Bewegung und -Aktivität im extrazellulären Raum regulieren. Das PCV ist aufgrund der großen Reichweite, über die die Signalisierung erfolgen muss, und der Rolle, die viele dieser BMP-Regler bei der Montage oder Demontage eines BMP-tragenden „Shuttles“ spielen, besonders empfindlich gegenüber dem Verlust dieser Regler (Schleede, 2015).

Das BMP Decapentaplegic (Dpp) wird von den LVs der Puppe sezerniert, möglicherweise als Heterodimer mit dem BMP Glass Bottom Boat (Gbb). Dies stimuliert autokrine und kurzreichweitige BMP-Signalgebung in den LVs, die relativ unempfindlich gegenüber extrazellulären BMP-Regulatoren ist. Dpp und Gbb signalisieren jedoch auch über einen langen Bereich, indem sie sich in das Intervenengewebe bewegen, wo sich das PCV bildet. Damit dies geschieht, müssen die sezernierten BMPs das D. melanogaster Chordin-Homolog Short Gastrulation (Sog) und das Twisted Gastrulation-Familienmitglied Crossveinless (Cv, hier als Cv-Tsg2 bezeichnet, um Verwechslungen mit anderen 'Cv'-Gennamen zu vermeiden) binden. Der Sog/Cv-Tsg2-Komplex erleichtert die Bewegung von BMPs aus den LVs durch den extrazellulären Raum, wahrscheinlich indem er BMPs vor der Bindung an zellgebundene Moleküle wie ihre Rezeptoren schützt. Um die Signalübertragung im PCV zu stimulieren, müssen auch BMPs aus dem Komplex befreit werden. Die Tolloid-verwandte Protease (Tlr, auch bekannt als Tolkin) spaltet Sog, wodurch seine Affinität für BMPs verringert wird, und Proteine ​​der Tsg-Familie helfen, diese Spaltung zu stimulieren. Die Signalübertragung wird in der PCV-Region durch eine positive Rückkopplungsschleife weiter unterstützt, da die BMP-Signalübertragung die lokalisierte Expression des BMP-bindenden Proteins Crossveinless 2 (Cv-2, kürzlich in BMPER in Vertebraten umbenannt) erhöht. Cv-2 bindet auch Sog, Zelloberflächen-Glypicane und den BMP-Rezeptorkomplex und wirkt wahrscheinlich als Co-Rezeptor und als Transferprotein, das BMPs von Sog befreit. Das Lipoprotein Crossveinless-d (Cv-d) bindet auch BMPs und Glypicane und unterstützt die Signalübertragung durch einen unbekannten Mechanismus (Schleede, 2015).

Die PCV-Entwicklung findet in einer komplexen und sich verändernden extrazellulären Umgebung statt, aber obwohl es einige Hinweise darauf gibt, dass die PCV-spezifische BMP-Signalgebung durch Veränderungen der Gewebemorphologie oder den Verlust der zellgebundenen Glypican-Heparansulfat-Proteoglykane beeinflusst werden kann, haben andere Umweltaspekte nicht groß untersucht worden. Während der Anfangsstadien der BMP-Signalgebung im PCV, 15-18 Stunden nach der Verpuppung (AP), bilden das dorsale und ventrale Flügelepithel einen Sack, der nur wenige dorsale zu ventrale Verbindungen aus früheren Stadien der inneren, basalen Seite des Sack ist mit Proteinen der extrazellulären Matrix (ECM) gefüllt, sowohl diffus als auch in laminaren Aggregaten. Da die BMP-Signalgebung im PCV aufrechterhalten und verfeinert wird, haften von 18-30 Stunden AP zunehmend dorsale und ventrale Epithelzellen von basal zu basal, wodurch der Sack abgeflacht wird. Die Venen bilden sich als ECM-gefüllte Kanäle zwischen den beiden Epithelien, während in Intervenenregionen verstreute Taschen von ECM basolateral zwischen den Zellen innerhalb jedes Epithels zurückgehalten werden, eine kleine Menge ECM wird auch an den Stellen des Basal-zu-Basal-Kontakts zurückgehalten. Diese sich ändernde ECM-Umgebung könnte möglicherweise die BMP-Bewegung, den Aufbau von BMP-haltigen Komplexen und den Signalempfang verändern, wie in anderen Entwicklungszusammenhängen bei Drosophila gezeigt wurde (Schleede, 2015).

Diese Studie demonstriert den starken Einfluss der Puppen-ECM auf die PCV-spezifische BMP-Signalübertragung mit großer Reichweite durch die Identifizierung eines bisher unbekannten ECM-regulierenden Signalwegs im Flügel. Bei einem Screening auf neue quervenenlose Mutationen auf dem dritten Chromosom wurde eine Mutation im Guanylylcyclase bei 76C (gyc76C) Locus, der für eine von fünf Transmembran-Guanyylzyklasen der Rezeptorklasse kodiert D. melanogaster. Gyc76C wurde zuvor für seine Rolle in der Semaphorin-vermittelten Axonführung der Malpighischen Tubulusphysiologie und der Entwicklung von embryonalen Muskeln und Speicheldrüsen charakterisiert. Wie die ähnlichen natriuretischen Peptidrezeptoren NPR1 und NPR2 von Säugetieren wird die Guanyylcyclase-Aktivität von Gyc76C wahrscheinlich durch sezernierte Peptide reguliert und kann über eine Vielzahl von nachgeschalteten cGMP-Sensoren wirken (Schleede, 2015).

Die Beweise deuten darauf hin, dass Gyc76C die BMP-Signalgebung im Puppenflügel beeinflusst, indem es die Aktivität der cGMP-abhängigen Kinase Nahrungssuche (auch bekannt als Dg2 oder Pkg24A) verändert, auch eine neue Rolle für diese Kinase. Aber anstatt die BMP-Signaltransduktion auf zellautonome Weise zu kontrollieren, wird nachgewiesen, dass Gyc76C und Foraging die BMP-Signalgebung nicht autonom regulieren, indem sie die Flügel-ECM während der BMP-Signalgebung im PCV dramatisch verändern. Dieser Effekt wird größtenteils durch die Veränderung der Spiegel und der Aktivität von Matrix-Metalloproteinasen (Mmps), insbesondere von Drosophila Mmp2, vermittelt. Genetische Interaktionen legen nahe, dass die ECM-Veränderungen die extrazelluläre Mobilität und Aktivität des BMP-bindenden Proteins Sog beeinflussen (Schleede, 2015).

Dies liefert den ersten Nachweis der Gyc76C- und For-Aktivität im sich entwickelnden Flügel und der erste Beweis, dass diese Proteine ​​wirken können, indem sie die Mmp-Aktivität beeinflussen. Darüber hinaus könnte der Nachweis einer in-vivo-Verbindung von einer Guanylylcyclase zu Mmps und der ECM und von dort zu weitreichenden BMP-Signalen Parallelen zu Befunden in Säugerzellen und -geweben aufweisen. NPR- und NO-vermittelte Veränderungen der cGMP-Aktivität können einerseits die Sekretion und Aktivität der Matrix-Metalloproteinase-Expression und andererseits die BMP- und TGF&beta-Signalgebung verändern (Schleede, 2015).

Mutation 3L043, die durch ein genetisches Screening aufgedeckt wurde, um homozygote letale Mutationen zu identifizieren, die für die PCV-Entwicklung erforderlich sind, ist ein neues Allel von gyc76C, ein Transmembranpeptidrezeptor, der wie Wirbeltier-NPRs als Guanylylcyclase wirkt. gyc76C wahrscheinlich durch die cGMP-Produktion mit der Aktivität der cGMP-abhängigen Kinase For verbunden ist und dass Gyc76C und For einen neuen Weg zur Regulation der Flügel-ECM definieren. Dieser Weg scheint hauptsächlich durch Veränderungen in der Aktivität von ECM-remodellierenden Mmp-Enzymen zu wirken. Verlust von gyc76C oder Um sowohl die Organisation des Flügel-ECM als auch die Ebenen der beiden D. melanogaster Mmps zu ändern, und die gyc76C Knockdown-Phänotyp kann durch Knockdown von Mmp2 weitgehend umgekehrt werden. Dies ist der erste Hinweis auf eine Rolle der cGMP-, Gyc76C- und For-Funktion im sich entwickelnden Flügel, und ihre Auswirkungen auf die ECM liefern für jeden einen neuen molekularen Output (Schleede, 2015).

Gyc76C und For sind für die normale Verfeinerung und Aufrechterhaltung der weitreichenden BMP-Signalgebung in der hinteren Quervenenregion des Puppenflügels erforderlich. Tatsächlich ist der Verlust der Quervenen der wichtigste Aspekt des Erwachsenen gyc76C Knockdown-Phänotyp. Die Beweise legen nahe, dass dieser Effekt auch durch Veränderungen der Mmp-Aktivität und höchstwahrscheinlich durch die Mmp-abhängige Reorganisation der ECM vermittelt wird. Tatsächlich findet die Analyse mit genetischen Mosaiken keinen Beweis für einen zuverlässigen, zellautonomen Effekt der cGMP-Aktivität auf die BMP-Signaltransduktion im Flügel. Somit wird dieses scheinbare Crosstalk zwischen der Rezeptor-Guanyylcyclase-Aktivität und der BMP-Signalgebung im Flügel durch extrazelluläre Effekte vermittelt (Schleede, 2015).

Es ist bemerkenswert, dass die cGMP-Aktivität, die durch NPR- oder Stickstoffmonoxid-Signalgebung vermittelt wird, auch die Mmp-Genexpression, -sekretion oder -aktivierung in vielen verschiedenen Säugerzellen und -geweben verändern kann. Abhängig von den Zellen, dem Kontext und der spezifischen Mmp wurden sowohl positive als auch negative Auswirkungen festgestellt. Angesichts der starken Rolle der ECM bei der Zell-Zell-Signalgebung kann der Beitrag von cGMP-vermittelten Veränderungen der Mmp-Aktivität zur extrazellulären Signalgebung signifikant sein. Es gibt auch einen Präzedenzfall für die cGMP-Aktivität, die spezifisch die BMP- und TGF&beta-Signalgebung bei Säugern beeinflusst. Die cGMP-abhängige Kinaseaktivität erhöht die BMP-Signalgebung in C2C12-Zellen, und es wurde vermutet, dass dieser Effekt einigen der Wirkungen von Stickstoffmonoxid-induziertem cGMP auf BMP-abhängige pulmonale arterielle Hypertonie zugrunde liegt. Umgekehrt stimuliert das atriale natriuretische Peptid die Guanylylcyclase-Aktivitäten von NPR1 und NPR2 und kann die TGFβ-Aktivität in Myofibroblasten hemmen. Im Gegensatz zu dem beim Fliegenflügel beobachteten Signalweg wird jedoch angenommen, dass diese Säugetierwirkungen durch die intrazelluläre Modulation der Signalübertragung vermittelt werden, wobei cGMP-abhängige Kinasen die BMP-Rezeptoraktivität oder die Phosphorylierung und Kernakkumulation von rezeptoraktivierten Smads verändern. Nichtsdestotrotz bleibt es möglich, dass es zusätzliche Regulationsebenen gibt, die durch extrazelluläre Effekte vermittelt werden, was die Bedeutung des Testens der Zellautonomie unterstreicht (Schleede, 2015).

Abgesehen von seiner Rolle in der Physiologie des Malpighischen Tubulus bei Erwachsenen hat Gyc76C zuvor drei Auswirkungen auf die Entwicklung gezeigt: Im Embryo reguliert es die abstoßende Axonführung, die durch Semaphorin 1A und Plexin A vermittelt wird, die richtige Bildung und Anordnung somatischer Muskeln und die Lumenbildung in die Speicheldrüse. All diese können Links zum ECM haben. Verlust von gyc76C aus embryonalen Muskeln beeinflusst die Verteilung und vesikuläre Ansammlung von &betaintegrin Mys und reduziert Laminine und den Integrinregulator Talin in der Speicheldrüse. Die Axondefekte beinhalten wahrscheinlich eine physikalische Wechselwirkung zwischen Gyc76C und Semaphorinrezeptoren, die dennoch die cGMP-Spiegel beeinflusst. gyc76C Defekte von mutierten Axonen sind denen sehr ähnlich, die durch den Verlust des Perlecans Trol verursacht werden (Schleede, 2015).

Die Parallelen zwischen den verschiedenen Handlungskontexten von Gyc76C sind jedoch nicht genau. Zunächst wurde nur der Flügel-Phänotyp mit einer Veränderung der Mmp-Aktivität in Verbindung gebracht. Zweitens wird der Flügel-Phänotyp im Gegensatz zum Muskel-Phänotyp nicht von offensichtlichen Veränderungen der Integrin-Spiegel oder -Verteilung begleitet, außer denen, die durch veränderte Venen verursacht werden. Schließlich die meisten gyc76C mutierte Phänotypen werden durch den Verlust der zytoplasmatischen cGMP-abhängigen Kinase Pkg21D (Dg1) reproduziert, anstelle von For (Dg2, Pkg24A), wie es im Flügel gefunden wird, und können daher durch verschiedene Kinase-Targets vermittelt werden (Schleede, 2015).

For wurde weitgehend auf Verhaltensmutanten-Phänotypen analysiert, und die Überlappung zwischen Pkg21D- und For-Zielen ist unbekannt. Während für die beiden cGMP-abhängigen Säuger-Kinasen PRKG1 (die in Alpha- und Beta-Isoformen vorhanden sind) und PRKG2 viele Ziele identifiziert wurden, ist nicht klar, ob eine von diesen funktionell äquivalent zu For ist. Eine der vom for-Locus erzeugten Proteinisoformen weist ein mutmaßliches Proteininteraktions-/Dimerisierungsmotiv mit geringer Ähnlichkeit mit den N-terminalen Bindungs-/Dimerisierungsdomänen von Alpha- und Beta-PRKG1 auf, aber alle drei For-Isoformen haben lange N-terminale Regionen, die fehlen von PRKG1 und PRKG2. Tatsächlich deutet eine kürzlich durchgeführte Studie darauf hin, dass For stattdessen funktionell äquivalent zu PRKG2 ist: Wie PRKG2 kann For die Phosphorylierung von FOXO stimulieren und ist in vitro an Zellmembranen lokalisiert. Aber anscheinend fehlt die kanonische Myristoylierungsstelle, von der angenommen wird, dass sie für die Membranlokalisierung und damit einen Großteil der Zielspezifität von PRKG2 verantwortlich ist. FOXO bleibt das einzige identifizierte For-Ziel, und Foxo-Nullmutanten sind mit normalen Flügeln lebensfähig (Schleede, 2015).

Der Verlust des weitreichenden BMP-Signalwegs in der PCV-Region durch Knockdown von gyc76C kann wie das ECM durch Knockdown von Mmp2 weitgehend gerettet werden. Zwei Ergebnisse deuten darauf hin, dass es eher die Veränderung der ECM ist, die die BMP-Signalgebung über große Entfernungen beeinflusst, als eine unabhängige Wirkung von Mmp2. Erstens, die BMP-Signalisierungsdefekte, die durch gyc76C Knockdown wurden durch direkte Manipulation der ECM durch die Überexpression des Perlecan Trol gerettet. Zweitens, wenn die Mmp-Aktivität durch eine Überexpression des diffundierbaren Mmp-Inhibitors TIMP gehemmt wird, rettete dies nicht nur die PCV-BMP-Signaldefekte, die durch gyc76C Knockdown, sondern führte auch zu ektopischer BMP-Signalgebung, nicht in der gesamten Region der TIMP-Expression, sondern nur in den Regionen mit abnormaler Akkumulation von ECM (Schleede, 2015).

Die Mmp2-vermittelten Veränderungen in der ECM beeinflussen wahrscheinlich die weitreichende BMP-Signalgebung, indem sie die Aktivität extrazellulärer BMP-bindender Proteine, insbesondere Sog, verändern. Die in den LVs produzierten BMPs Dpp und Gbb binden Sog und Cv-Tsg2, pendeln in die PCV-Region und werden dort durch Tlr-vermittelte Spaltung von Sog freigesetzt und auf Cv-2 und die Rezeptoren übertragen. Genetische Interaktionsexperimente deuten darauf hin, dass der Knockdown von gyc76C beides erhöht die Affinität von Sog für BMPs und reduziert die Bewegung des Sog/Cv-Tsg2/BMP-Komplexes in die Crossvenenregion (Schleede, 2015).

Kollagen IV ist das am besten untersuchte Beispiel dafür, wie die ECM die Sog-Aktivität beeinflussen könnte. Die beiden Kollagen IV-Ketten von D. melanogaster regulieren die BMP-Signalgebung in anderen Zusammenhängen und binden sowohl Sog als auch das BMP Dpp. Die Ergebnisse legen nahe, dass Kollagen IV beim Aufbau und der Freisetzung eines Dpp/Sog/Tsg-Shuttle-Komplexes hilft und auch die Tld-Protease rekrutiert, die die Sog-Spaltung spaltet und Dpp zur Signalübertragung freisetzt. D. melanogaster Mmp1 kann Wirbeltierkollagen IV spalten. Da eine reduzierte Gyc76C- und For-Aktivität abnormale Collagen IV-Aggregate im gesamten Flügel und diffuses Collagen IV in den Venen erhöht, wird angenommen, dass diese Collagen IV-Veränderungen sowohl den Aufbau oder die Stabilität von Sog/Cv-Tsg2/BMP-Komplexen fördern und sie an die ECM . binden , was die Sequestrierung von BMPs im Komplex begünstigt und die Langstreckenbewegung des Komplexes in die Region des PCV reduziert (Schleede, 2015).

Während wenige andere D. melanogaster Mmp-Targets wurden identifiziert, es ist wahrscheinlich, dass Mmp1 und Mmp2 die breite Spezifität ihrer Säugetier-Gegenstücke teilen, so dass andere bekannte oder unbekannte ECM-Komponenten beteiligt sein könnten. Zum Beispiel Wirbeltier Perlecan und kann von Mmps gespalten werden. Trol reguliert die BMP-Signalisierung in anderen D. melanogaster Kontexte und Trol-Überexpressionsrettung gyc76C Auswirkungen von Knockdown auf die BMP-Signalisierung. Aber während null trol Allele sind vor dem Puppenstadium tödlich, normale PCVs wurden in lebensfähigen und sogar adulten tödlichen Allelen gebildet wie Steuerung G0023 , und Actin-Gal 4-gesteuerte Expression von trol-RNAi mit einer von vier verschiedenen trol-RNAi-Linien veränderten die Flügelvenen der Erwachsenen nicht. Verlust des D. melanogaster Die Laminin-B-Kette, die von allen Laminin-Trimeren geteilt wird, stört die Flügelvenen stark, und eine Zebrafisch-Laminin-Mutation kann die BMP-Signalübertragung reduzieren (Schleede, 2015).

Schließlich wurde kürzlich gezeigt, dass Dlp, einer der beiden D. melanogaster glypicans, können durch Mmp2 von der Zelloberfläche entfernt werden. Während gyc76C Knockdown die Anti-Dlp-Färbung im Puppenflügel nicht nachweisbar veränderte, ist bemerkenswert, dass Dlp und das zweite Glypican Dally nicht-autonom für die BMP-Signalgebung im PCV benötigt werden und BMPs und andere BMP-bindende Proteine ​​binden.

Zwei Strategien zur Nahrungssuche von Larven bei Drosophila wurden identifiziert, 'Rover' und 'Sitter'. 'Rovers' durchqueren beim Fressen einen großen Bereich, während 'Sitter' einen kleinen Bereich abdecken. Der Unterschied zwischen „Rovers“ und „Sittern“ wurde genetisch durch chromosomale Substitutionen zwischen isogenen Beständen analysiert. Unterschiede im Bewegungsverhalten der Larven ('Krabbelverhalten') können auf das zweite Chromosom zurückgeführt werden, wobei die 'Rover'-Strategie gegenüber der 'Sitter'-Strategie dominant ist. Unterschiede in der Fressgeschwindigkeit („Schaufelverhalten“) werden sowohl vom zweiten als auch vom dritten Chromosom additiv beeinflusst. Natürliche Populationen von Drosophila-Larven wurden über einen Zeitraum von 2 Monaten dreimal beprobt. „Rovers“ und „Sitter“ waren in diesen Populationen mit konstanter Häufigkeit. Die beiden Strategien zur Nahrungssuche werden im Lichte der Ressourcennutzung in Umgebungen diskutiert, in denen Nahrung kontinuierlich oder diskontinuierlich verteilt wird (Sokolowski, 1980).

Die Lokalisierung von Genen für quantitative Merkmale durch konventionelle Rekombinationskartierung ist eine gewaltige Herausforderung, da Umweltvariationen, Nebengene und genetische Marker modifizierende Auswirkungen auf sich ständig ändernde Phänotypen haben. Es wird die Methode des "letalen Taggings" beschrieben, die in Verbindung mit der Defizienzkartierung zur Lokalisierung von Hauptgenen verwendet wurde, die mit quantitativen Merkmalen verbunden sind. Rover/Sitter ist ein natürlich vorkommender larvaler Nahrungssuche-Polymorphismus bei Drosophila, der ein polygenes Vererbungsmuster aufweist, das aus einem einzigen Hauptgen ( Nahrungssuche ) und kleineren Modifikationsgenen besteht. Das letal markierte Gen für Nahrungssuche (for) wurde erfolgreich durch Defizienzkartierung auf 24A3-C5 auf der Polytänchromosomenkarte lokalisiert (de Belle, 1989).

Es besteht eine Korrelation zwischen der lokomotorischen Komponente der Larven und dem Nahrungssucheverhalten der adulten Fruchtfliege. Dieser Zusammenhang ist weit mehr als eine bloße Korrelation. Es kann auf verschiedene Allele am gleichen genetischen Ort des Verhaltensgens auf Nahrungssuche zurückzuführen sein ( für ). Das for-Gen bietet eine einzigartige Gelegenheit, die genetische Grundlage und die evolutionäre Bedeutung eines natürlich vorkommenden Verhaltenspolymorphismus zu untersuchen. Bisher wurde nur die Wirkung von for auf das Larvenverhalten von Drosophila untersucht. Larven mit dem Rover-Allel (für R ) bewegen sich während des Essens während eines festgelegten Zeitraums signifikant mehr als diejenigen, die homozygot für die Sitter-Allele ( für s ) sind. Rover- und Sitter-Larvenstämme, die aus der Natur stammen, unterscheiden sich in der Entfernung, die Erwachsene nach der Nahrungsaufnahme pro Zeiteinheit zurücklegen, und diese Variation resultiert aus unterschiedlichen Allelen am Nahrungssuche-Locus, dem eigentlichen Gen, das ursprünglich auf der Grundlage des Larvenverhaltens definiert wurde. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass For daran beteiligt sein könnte, wie Fliegen eine Nahrungsressource bewerten (Pereira, 1993).

Das Nahrungssuche-Gen beeinflusst das olfaktorische Verhalten von Erwachsenen, aber nicht von Larven bei Drosophila melanogaster

Die Fähigkeit von Larven und adulten Rover- und Sitter-Fliegen, einen Lockstoff im Fliegenmedium zu detektieren und dorthin zu wandern, wurde unter Verwendung von Larvenplatten-Assays und einem adulten Geruchsfallen-Assay untersucht. Allelvariationen am Ort der Nahrungssuche haben keinen Einfluss auf die olfaktorische Reaktion der Larven in den Larvenplatten-Assays. Im Gegensatz dazu zeigen erwachsene Männchen der Sitter-Mutante für s2 eine Riechfallenreaktion (OTR), die signifikant größer ist als die von Männchen des Wildtyps für den R-Stamm, von dem für s2 abgeleitet wurde, und weitere genetische Analysen zeigen, dass dies zurückzuführen ist auf das für s2-Allel. Die olfaktorische Reaktion von fbr R und für s2-Fliegen auf drei Gerüche (Propionsäure, Ethylacetat und Aceton) in einem T-Labyrinth-Assay ist normal, was darauf hindeutet, dass sie keine allgemeinen olfaktorischen Defizite aufweisen. Der Befund, dass erwachsene Fliegen, die sich in ihren PKG-Enzymaktivitäten unterscheiden, sich in ihrem Nahrungssucheverhalten und ihren Geruchsfallenreaktionen auf Hefegerüche unterscheiden, legt nahe, dass PKG-Signalwege an olfaktorischen Reaktionen auf Nahrung beteiligt sind (Shaver, 1998).

Neuronaler Polymorphismus unter natürlichen Allelen eines cGMP-abhängigen Kinasegens, Nahrungssuche, in Drosophila

Die natürliche Variation der neuronalen Erregbarkeit und Konnektivität wurde nicht umfassend untersucht. Bei Drosophila ist ein natürlich erhaltener genetischer Polymorphismus an einem cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG)-Gen, Nahrungssuche, mit alternativen Nahrungssuchstrategien unter den Allelvarianten Rover (für R höhere PKG-Aktivität) und Sitter (für s niedrigere PKG-Aktivität) verbunden. . Physiologische und morphologische Variationen wurden im Nervensystem dieser aus natürlichen Populationen isolierten allelischen Varianten untersucht. Die Stromklemmung ganzer Zellen zeigte unterschiedliche Erregbarkeitsmuster mit spontanen Aktivitäten und exzessivem evozierten Feuern in kultivierten, aber nicht in Rover-Neuronen. Voltage-Clamp-Untersuchung zeigte reduzierte spannungsabhängige K(+)-Ströme in sitzenden Neuronen. Fokale Aufzeichnungen von Synapsen am neuromuskulären Übergang der Larven zeigen spontane Aktivität und überzählige Entladungen mit erhöhter Transmitterfreisetzung nach Nervenstimulation. Immunmarkierungen zeigen diffusere motorische Axon-Endprojektionen mit erhöhten ektopischen Nerveneintrittspunkten in den sitzenden Larvenmuskeln. Die Unterschiede zwischen den beiden natürlichen Allelen wurden in laborinduzierten mutierten Allelen des for-Gens verstärkt. Die weitreichenden Auswirkungen des for-PKG auf die neuronale Erregbarkeit, synaptische Übertragung und Nervenkonnektivität veranschaulichen das Ausmaß der neuronalen Variabilität bei Drosophila, die einem einzelnen Gen zugeschrieben werden kann. Diese Ergebnisse belegen die Konsequenzen in der Zellfunktion für die natürliche Variation in einer Isoform von PKG und legen eine Rolle für die natürliche Selektion bei der Aufrechterhaltung der Variation der neuronalen Eigenschaften nahe (Renger, 1999).

Die Aktivität der cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG) beeinflusst die Reaktionsfähigkeit und Gewöhnung auf Saccharose

Die cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) hat viele zelluläre Funktionen bei Wirbeltieren und Insekten, die komplexe Verhaltensweisen wie Fortbewegung und Nahrungssuche beeinflussen. Das Nahrungssuche ( for ) Gen kodiert ein PKG in Drosophila melanogaster. Eine Funktion für die zum Gen in sensorischer Reaktionsfähigkeit und nichtassoziativem Lernen wurde nachgewiesen. Larven der natürlichen Variante Sitter ( für S ) zeigen während der Fütterung weniger Bewegungsaktivität und haben eine geringere PKG-Aktivität als Rover (für R ) Larven. Es wurden Rover- und Sitter-Erwachsene verwendet, um zu testen, ob die PKG-Aktivität (1) die Reaktion auf Saccharose-Stimuli, die auf die vordere Tarsi aufgebracht wurden, und (2) die Gewöhnung der Rüsselstreckung nach wiederholter Saccharose-Stimulation beeinflusst. Um zu bestimmen, ob die beobachteten Unterschiede auf Variationen im for-Gen zurückzuführen sind, for s2 , eine Sitter-Mutante, die auf einem genetischen Hintergrund eines Rovers hergestellt wurde, wurde getestet. Rover (für R ) reagieren besser auf Saccharose als Sitter (für S und für s2 ) im Alter von 1, 2 und 3 Wochen. Dies gilt für beide Geschlechter. Die Unterschiede in der Saccharose-Reaktionsfähigkeit zwischen Rovern und Sittern sind nach 2 Stunden Nahrungsentzug größer als nach 24 Stunden. Von Fliegen mit ähnlicher Saccharose-Reaktionsfähigkeit, z R Rover zeigten weniger Gewöhnung und Verallgemeinerung der Gewöhnung als für S und für s2 Sitzer. Diese Ergebnisse zeigen, dass PKG unabhängig die sensorische Reaktionsfähigkeit und Gewöhnung beeinflusst Drosophila melanogaster (Scheiner, 2004).

Evolution des Nahrungssucheverhaltens bei Drosophila durch dichteabhängige Selektion

Eines der seltenen Beispiele für ein einzelnes Hauptgen, das einem natürlich vorkommenden Verhaltenspolymorphismus zugrunde liegt, ist der Ort der Nahrungssuche von Drosophila. Larven mit dem Rover-Allel, für R , haben auf einer Hefepaste signifikant längere Pfade bei der Nahrungssuche als diejenigen, die für das Sitter-Allel homozygot sind, für s . Diese Varianten unterscheiden sich in der allgemeinen Aktivität in Abwesenheit von Nahrung nicht. Die evolutionäre Bedeutung dieses Polymorphismus ist noch nicht verstanden. Der Einfluss hoher und niedriger Tieraufzuchtdichten auf den Phänotyp der Nahrungsweglänge der Larven wurde untersucht. Dichteabhängige natürliche Selektion führt zu Veränderungen dieses Merkmals. In drei nicht verwandten Basispopulationen wurde der Phänotyp mit langem Pfad (Rover) unter Aufzuchtbedingungen mit hoher Dichte ausgewählt, während der Phänotyp mit kurzem Pfad (Sitter) unter Bedingungen mit niedriger Dichte ausgewählt wurde. Genetische Kreuzungen legten nahe, dass diese Veränderungen auf Veränderungen in der Häufigkeit der für s Allel in den mit niedriger Dichte ausgewählten Linien. Weitere Experimente zeigten, dass eine dichteabhängige Selektion während des Larvenstadiums und nicht im adulten Entwicklungsstadium ausreicht, um diese Ergebnisse zu erklären. Dichteabhängige Mechanismen können ausreichen, um Variationen im Rover- und Sitter-Verhalten in Laborpopulationen aufrechtzuerhalten (Sokolowski, 1997).

Es wurde gezeigt, dass morphologische Polymorphismen durch dichteabhängige Selektion beeinflusst werden, beispielsweise bei Blattläusen, Rifffliegen und Huftieren. Die Bedeutung genetisch bedingter Verhaltenspolymorphismen für die Populationsregulation wurde jedoch selten untersucht. Populationen von wilden Hausmäusen, Mus musculus domesticus, zeigen zwei vererbbare alternative Strategien, die als „aggressive oder aktive Coper“ und „nicht aggressive oder passive Coper“ bezeichnet werden. „Aktive Coper“ haben einen Fitnessvorteil in etablierten Populationen (sogenannter K-Typ-Stratege), während „passive Coper“ besser darin sind, neue Populationen zu etablieren (sogenannter r-Typ-Stratege) (Benus, 1991). In der aktuellen Studie wurde der Rover-Phänotyp unter Bedingungen hoher Dichte (K-Typ) ausgewählt, während der Sitter unter Bedingungen niedriger Dichte (R-Typ) ausgewählt wurde. Beide Studien zeigen einen klaren Zusammenhang zwischen individuellem Verhalten und Populationsdynamik (dichteabhängige Selektion). Diese Studie ist die erste, die eine genetische Grundlage für diese Beziehung aufzeigt. Ein theoretischer Rahmen, zu dem diese Studien beitragen, ist die Chitty-Hypothese (auch Selbstregulations- oder genetische Kontrollhypothese genannt) für die Populationsregulation, die auf der Idee basiert, dass Populationen durch systemimmanente Faktoren reguliert werden können. In diesem Szenario wird angenommen, dass die Richtungsselektion dichteabhängig auf Verhaltensmorphe einwirkt, so dass sich der Genpool mit der Populationsgröße ändert. Somit werden, wie in der vorliegenden Studie, Verhaltensmorphe bei hohen (K-selektierten) Populationsdichten im Vergleich zu niedrigen (r-selektierten) Populationsdichten unterschiedlich selektiert. Obwohl das Nahrungssucheverhalten von Verhaltensökologen im Detail untersucht wurde, ist wenig darüber bekannt, auf welcher Grundlage dieses Merkmal vererbt wird und unter welchen Bedingungen individuelle Unterschiede im Nahrungssuchverhalten zur Fitness beitragen. Zwei Ausnahmen hiervon sind der in dieser Studie untersuchte Rover/Sitter-Polymorphismus und das Nahrungssucheverhalten von Zebrafinken (Taeniopygia guttato), die vererbbare Unterschiede in der Fähigkeit zeigen, zwischen qualitativ unterschiedlichen Nahrungsmittelstücken zu unterscheiden (Sokolowski, 1997 und darin enthaltene Referenzen).

In der aktuellen Studie führte die dichteabhängige Selektion im Labor zu Unterschieden im Nahrungssuchverhalten der Larven in drei unabhängigen Experimenten mit drei nicht verwandten Basispopulationen. Bedingungen geringer Dichte ausgewählt für signifikant kürzere Pfade (Sitter-Phänotyp) in den m-, mr- und UU-Linien und längere Pfade (Rover-Phänotyp) in den K-, mK- und CU-Linien. Die Verhaltensunterschiede zwischen den UU- und CU-Linien legten nahe, dass die dichteabhängige Selektion während der Larvenentwicklungsstadien wichtig ist. Ergebnisse genetischer Kreuzungen zwischen den mr- und mK-Linien und einem Stamm mit einem Mangel an for zeigten, dass einige der Verhaltensunterschiede auf Variationen am for-Locus zurückzuführen sind. Die vorliegende Studie ist von besonderem Interesse, da es sich um eine natürliche Selektion im Labor und nicht um eine künstliche Selektion handelt. Auf die Behandlungslinien mit hoher und niedriger Dichte wurde kein künstlicher Selektionsdruck auf die Länge des Larvenpfads ausgeübt. Die Unterschiede in der Pfadlänge resultierten aus Aufzuchtbedingungen mit hoher im Vergleich zu niedriger Dichte, und diese Bedingungen bildeten den Selektionsdruck (Sokolowski, 1997).

Es ist schwierig, die direkte Wirkung der Selektion auf ein Merkmal zu begründen. Tatsächlich könnten eine Reihe von Faktoren für die dichteabhängige Selektion auf der Larvenpfadlänge verantwortlich sein. Kulturen mit hoher Dichte im Vergleich zu Kulturen mit niedriger Dichte würden sich beispielsweise in der Verteilung und Konzentration von Nahrungsmitteln, Abfallprodukten und abiotischen Faktoren wie dem Feuchtigkeitsgehalt des Mediums unterscheiden. Die Larvendichte im Medium ist ein wichtiger biotischer Faktor, der zeitlich und räumlich variiert. In den frühen Stadien eines mittleren Befalls ist sie niedrig, in späteren Stadien jedoch höher. Variationen in der Larvendichte treten auch innerhalb und zwischen den Früchten auf (Sokolowski, 1997).

Drosophila-Larven verbringen die meiste Zeit ihres Lebens damit, nach Nahrung zu suchen. Sie bewegen sich durch das Futter, indem sie ihr vorderes Ende ausfahren und ihre hinteren Enden zurückziehen. Sie ernähren sich, indem sie das Futter (Hefe) mit ihren Maulhaken schaufeln. In Abwesenheit von Nahrung haben sowohl Rover- als auch Sitter-Larven lange Wege, die sich nicht voneinander unterscheiden. Innerhalb eines Nahrungsrover-Patches weisen Larven deutlich längere Nahrungswege auf als Sitter. Wenn die Nahrung fleckig verteilt ist, suchen die Rover-Larven nach Nahrung, indem sie sich zwischen den Flecken bewegen, während die Sitter innerhalb eines Fleckens nach Nahrung suchen. Bei hoher Dichte müssen Larven um andere Larven, ertrunkene Puppen und Erwachsene herumkriechen, um einen nahegelegenen Nahrungsplatz zu erreichen. Im Gegensatz dazu ist unter Low-Density-Bedingungen ein erhöhtes Bewegungsverhalten (Rover-Verhalten) unnötig, da Nahrung kontinuierlich verteilt wird und von relativ höherer Menge und Qualität ist. Daher würden sich Patchgröße, Patchqualität und Abstand zwischen den Patches in Kulturen mit hoher Dichte im Vergleich zu Kulturen mit niedriger Dichte unterscheiden. Tatsächlich sind die energetischen Kosten der Fortbewegung bei Drosophila-Larven extrem hoch. Darüber hinaus können Larven gezwungen sein, unter Bedingungen mit hoher Dichte woanders nach Nahrung zu suchen, wenn die Nahrung begrenzt ist. Diese Faktoren sollten den Erfolg des Rovers im Vergleich zum Verhalten der Sitterlarven unter Bedingungen mit hoher Dichte im Vergleich zu Bedingungen mit niedriger Dichte beeinflussen (Sokolowski, 1997).

Es wurde gezeigt, dass die dichteabhängige Selektion eine Reihe von Merkmalen in Drosophila-Populationen beeinflusst. Die Verdrängung der Larven erhöht die Verpuppungshöhe (der Abstand der Larven von der Nahrung in Fläschchen) und die Nahrungsrate der Larven. Das for-Gen hat keine pleiotropen Auswirkungen auf diese Merkmale, obwohl in natürlichen Populationen phänotypische Korrelationen zwischen der Weglänge der Larven und dem Verpuppungsverhalten gefunden wurden. Verpuppungshöhe und Larvenfütterungsrate sind polygene Merkmale, die von vielen Genen beeinflusst werden und sich additiv auf die wichtigsten Autosomen in Drosophila auswirken. Aus der Sicht der Larvenfitness sind Nahrungsaufnahme und Bewegung zwei der wichtigsten Verhaltensweisen während der Larvenperiode. Beide Larvenverhalten (Futterrate und Fortbewegung während der Nahrungssuche) zeigen eine signifikante Reaktion auf eine dichteabhängige Selektion aus Larvendrängen. Tatsächlich entwickelten K-Linien im Vergleich zu den r-Linien eine erhöhte Lebensfähigkeit der Larven bei hoher Dichte (Sokolowski, 1997).

Die dichteabhängige Selektion nach der Häufigkeit der Rover- und Sitter-Phänotypen ist ein Mechanismus, der sowohl im Feld als auch im Labor wirken könnte. Im Labor ergibt sich die dichteabhängige Selektion wahrscheinlich aus Methoden der Fliegenaufzucht. Im Labor werden 50-100 Fliegen in eine Flasche mit Kulturmedium gegeben, wo sie sich paaren und Eier legen. Die Eier werden mehrere Wochen auf der Oberfläche des Mediums abgelegt. Die Larvenperiode dauert 4-5 Tage bei 25°C. Die ersten Larven, die schlüpfen, werden im Gegensatz zu Larven, die später schlüpfen, Bedingungen mit geringer Larvendichte erfahren. Somit ist die Larvendichte in den Anfangsstadien gering, aber in den späteren Stadien des Kulturwachstums hoch. Untersuchungen von Labor- und natürlichen Populationen haben gezeigt, dass einige polymorph für das Rover-/Sitter-Verhalten sind. Populationszahlen und Larvendichte von D. melanogaster im Feld auch sowohl zeitlich (z. B. über die Saison) als auch räumlich (zwischen Früchten) schwanken. Tatsächlich können Populationszahlen als Folge von dichteabhängigen Regulierungsmechanismen dramatisch schwanken (Sokolowski, 1997 und Referenzen darin).

Es sollte möglich sein zu bestimmen, ob eine dichteabhängige Selektion den Rover/Sitter-Polymorphismus in Feldpopulationen beeinflusst, da dieser Polymorphismus als einzelnes Gen gefunden wird ( für ). Die Durchführung von Verhaltenstests für die phänotypischen Frequenzen von Rover/Sitter im Feld ist jedoch eine schwierige Aufgabe. Dies liegt daran, dass der gemessene Charakter ein Verhaltensmerkmal ist und phänotypische Häufigkeiten aufgrund beispielsweise unvollständiger Penetranz nicht immer für die wahren zugrunde liegenden genotypischen Häufigkeiten repräsentativ sind. Die richtige Alterung der Larve und eine strenge Kontrolle der Umweltbedingungen (d. h. der Nahrungsverfügbarkeit) sind wichtig, um die Wahrscheinlichkeit einer Fehlklassifizierung eines Rovers als Sitter oder umgekehrt zu minimieren. Diese Arten von Kontrollen sind im Feld unmöglich zu implementieren. Daher werden DNA-Sonden für Rover- und Sitter-Allele entwickelt, um deren Frequenzen im Feld zu bestimmen. Diese Sonden können dann verwendet werden, um die dichteabhängige Selektionshypothese in einer Vielzahl natürlicher Populationen anzugehen, deren Dichte zeitlich und/oder räumlich variiert. Experimentelle Manipulationen der Populationsdichten im Feld zusammen mit einer sorgfältigen Überwachung des Polymorphismus sollten ein besseres Verständnis dafür ermöglichen, wie die dichteabhängige Selektion zur Aufrechterhaltung des Rover/Sitter-Polymorphismus beiträgt (Sokolowski, 1997).

Das for-Gen verleiht Drosophila einen renalen Phänotyp durch Modulation der cGMP-spezifischen Phosphodiesterase

Der Flüssigkeitstransport in den Tubuli von Drosophila wird durch Guanosin-3',5'-zyklisches Monophosphat (cGMP)-Signalgebung reguliert. Die funktionellen Wirkungen auf die Tubuli verschiedener Allele des Nahrungssuche-Gens wurden verglichen, da das für s-Allel einen epithelialen Phänotyp verleiht. Dies manifestiert sich als Überempfindlichkeit des epithelialen Flüssigkeitstransports gegenüber dem nitridergen Neuropeptid capa-1, das über Stickstoffmonoxid und cGMP wirkt. Es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied in der Tubulus-cGK-Aktivität zwischen für s- und für R-Erwachsene. Nichtsdestotrotz enthielten für Tubuli höhere Konzentrationen an cGMP-spezifischer Phosphodiesterase (cG-PDE)-Aktivität im Vergleich zu R . Diese Erhöhung der cGMP-PDE-Aktivität reicht aus, um den cGMP-Gehalt in Tubuli im Vergleich zu R zu verringern. Die Herausforderung der Tubuli mit Capa-1 erhöht den cGMP-Gehalt sowohl in s- als auch in R-Tubuli, obwohl der Anstieg aus Ruhe-cGMP-Spiegeln in s-Tubuli größer ist. Die Capa-1-Stimulation der Tubuli zeigt eine starke Hemmung der cGMP-spezifischen Phosphodiesterase in beiden Linien, obwohl diese bei s stärker ist und ausreicht, um den beobachteten überempfindlichen Transportphänotyp zu erklären. Somit verleihen Polymorphismen am for-Locus tatsächlich einen cGMP-abhängigen Transportphänotyp, der jedoch am besten auf eine indirekte Modulation der cGMP-spezifischen Phosphodiesterase-Aktivität und damit auf die cGMP-Homöostase zurückgeführt werden kann, und nicht auf einen direkten Effekt auf den cGK-Spiegel (MacPherson, 2004).

Natürliche Variation bei Drosophila-Larven belohnen Lernen und Gedächtnis aufgrund einer cGMP-abhängigen Proteinkinase

Tiere müssen in der Lage sein, Nahrung zu finden und zu bewerten, um ihr Überleben zu sichern. Die Fähigkeit, einen Hinweis mit dem Vorhandensein von Futter in Verbindung zu bringen, ist vorteilhaft, da es einem Tier ermöglicht, schnell eine Situation zu erkennen, die mit einem guten, schlechten oder sogar schädlichen Futter verbunden ist. Die Identifizierung der Gene, die diesen natürlichen erlernten Reaktionen zugrunde liegen, ist für das Verständnis dieser Fähigkeit unerlässlich. Diese Studie untersuchte, ob die natürliche Variation im Gen für die Nahrungssuche ( for ) in Drosophila-Larven wichtig ist, um Assoziationen zwischen entweder einem Geruch oder einem Lichtreiz und einer Nahrungsbelohnung zu vermitteln. Es wurde festgestellt, dass die olfaktorische Konditionierung beeinflusst wird und dass die Pilzkörper eine Rolle bei diesem verstärkten olfaktorischen Lernen spielen. Genotypen, die mit einer hohen Aktivität des Produkts von für, cGMP-abhängiger Proteinkinase (PKG) assoziiert sind, zeigten eine größere Gedächtnisakquise und -erhaltung im Vergleich zu Genotypen, die mit einer niedrigen Aktivität von PKG assoziiert sind, wenn sie mit drei Konditionierungsversuchen trainiert wurden. Interessanterweise führte die Erhöhung der Anzahl der Trainingsversuche nur bei Genotypen, die mit hoher PKG-Aktivität assoziiert sind, zu einer verminderten Gedächtnisspeicherung. Der Unterschied in der Dynamik des Gedächtniserwerbs und -erhalts zwischen den Varianten von for lässt vermuten, dass die Fähigkeit, eine Assoziation zu lernen und zu behalten, mit den Strategien der Nahrungssuche der beiden Varianten verbunden sein kann (Kaun, 2007).

Während viele Studien die Bedeutung des cAMP-Signalwegs beim assoziativen Lernen nahegelegt haben, implizieren die aktuellen Ergebnisse den cGMP-Signalweg bei der Vermittlung von Belohnungslernen und Gedächtnis. Insbesondere deuten die Ergebnisse auf eine neue Rolle des Nahrungssuchgens beim Lernen und Gedächtnis der Larven hin. denn spielt eine stärkere Rolle bei der olfaktorischen Belohnungskonditionierung der Larven als die visuelle Belohnungskonditionierung der Larven. Es wurde auch festgestellt, dass die Rolle der olfaktorischen Belohnungskonditionierung der Larven die Pilzkörper einbezieht. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Rolle von for im olfaktorischen Gedächtnis von der Trainingserfahrung abhängt, was darauf hindeutet, dass for an mehreren Mechanismen beteiligt sein kann, die die Bildung olfaktorischer Assoziationen beeinflussen. Die Evidenz deutet darauf hin, dass diese Mechanismen die Trainingserfahrung beeinflussen, die für den Gedächtniserwerb und das Gedächtnis erforderlich ist. Zum Beispiel reagieren Larven für s (die Sitter-Varianten) auf eine Zunahme der Anzahl von Trainingsversuchen im Vergleich zu Larven für R (die Rover-Varianten). Interessanterweise spielt for auch eine Rolle im Kurz- und Langzeitgedächtnis bei erwachsenen Drosophila, was darauf hindeutet, dass diese Mechanismen während der gesamten Entwicklung konserviert werden können (Kaun, 2007).

denn kann auch eine Rolle bei den Mechanismen spielen, die den Zeitverlauf des Trainings beeinflussen, der notwendig ist, um Gedächtniserwerb und -erhalt zu erzeugen.Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine erhöhte PKG-Aktivität mit schnellerem Lernen verbunden ist und eine verringerte PKG-Aktivität mit langsamerem Lernen verbunden ist. Wie oben erwähnt, können diese Unterschiede mit den alternativen Strategien zur Nahrungssuche von R- und S-Larven zusammenhängen. denn R-Larven bewegen sich bei der Nahrungssuche mehr und stoßen daher möglicherweise auf viele Nahrungsfelder, während sich die Sitzenden weniger bewegen und möglicherweise in der Nähe einer geringeren Anzahl von Nahrungsfeldern bleiben. Daher kann es für R-Larven von Vorteil sein, schnell eine Assoziation zwischen einer neuen Nahrungsquelle und Geruch zu bilden und dann diese neuen Informationen zu verwenden, um die Qualität zukünftiger Nahrungsquellen zu beurteilen. Eine verminderte Gedächtnisspeicherung kann für Rover von Vorteil sein, da frühere Studien darauf hindeuten, dass die Bildung und Speicherung gebildeter Assoziationen energetisch teuer sein kann. Umgekehrt kann ein längerer Aufenthalt in einem einzigen Nahrungsfeld bei Larven zu einer Verzögerung der Fähigkeit führen, eine Verbindung zwischen einer Nahrungsquelle und dem Geruch herzustellen. Es kann jedoch dazu beitragen, dass die Larven sich daran erinnern, welche Nahrungsflächen in der Nähe erschöpft waren (Kaun, 2007).

Interessanterweise zeigen erwachsene Rover-Fliegen eine langsamere Gewöhnungsrate im Vergleich zu erwachsenen sitzenden Fliegen bei wiederholter Präsentation von Reizen. für R-Fliegen zeigen weniger Gewöhnung und Generalisierung der Gewöhnung an wiederholte Saccharose-Stimuli im Vergleich zu für s- und für s2-Fliegen. Dies steht im Einklang mit einem schnelleren Ansprechdekrement des Riesenfaser-Escape-Schaltkreises bei s- und s2-Fliegen im Vergleich zu R-Fliegen, wie elektrophysiologisch gemessen. Da in der aktuellen Studie repetitive Reize in Form von Geruchs-Belohnungs-Paarungen verwendet werden, kann die Abnahme des LI nach Erhöhung der Anzahl der Geruchs-Belohnungs-Paarungen teilweise ein Reaktionsdekrement auf die Reize darstellen (Kaun, 2007).

Die Unterschiede im olfaktorischen Lernen und Gedächtnis aufgrund von for können untrennbar mit den unterschiedlichen Strategien der Nahrungssuche der beiden natürlichen Varianten verbunden sein. Dies führt zu der Frage, ob For in anderen Verhaltensweisen im Zusammenhang mit der Nahrungssuche und Nahrungssuche wie Pfadintegration, Territorialität, Aggression und Balz eine Rolle spielen kann. Wenn ja, kann for eine Rolle bei Belohnungswegen höherer Ordnung spielen, die diese individuellen Verhaltensweisen vermitteln. Interessanterweise spielen die Pilzkörper eine Rolle bei solch komplexen Verhaltensweisen, einschließlich Balz, Balzkonditionierung, räumliches Lernen, Aggression und Schlaf. Dementsprechend weist die Rolle der Pilzkörper beim Lernen von for-abhängiger Larvenbelohnung auf eine Rolle von for bei komplexeren Verhaltensweisen hin, die Belohnungswege höherer Ordnung beinhalten. Zukünftige Forschungen werden Erkenntnisse darüber liefern, ob eine Rolle von for in einer Vielzahl komplexer Verhaltensweisen existiert (Kaun, 2007).

Natürlicher Polymorphismus, der das Lernen und das Gedächtnis bei Drosophila . beeinflusst

Zu wissen, welche Gene zur natürlichen Variation des Lernens und Gedächtnisses beitragen, würde helfen, zu verstehen, wie sich Unterschiede dieser kognitiven Merkmale zwischen Populationen und Arten entwickeln. Ein natürlicher Polymorphismus am Nahrungssuche ( for ) Locus, der eine cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) kodiert, beeinflusst das assoziative olfaktorische Lernen bei Drosophila melanogaster. In einem Assay, der die Fähigkeit testet, einen Geruch mit mechanischem Schock zu assoziieren, zeigten Fliegen, die für eine natürliche allelische Variante dieses Gens ( für R ) homozygot waren, ein besseres Kurzzeitgedächtnis, aber ein schlechteres Langzeitgedächtnis als Fliegen, die für ein anderes natürliches Allel homozygot sind ( für s ). Das for s-Allel ist durch eine reduzierte PKG-Aktivität gekennzeichnet. for R-ähnliche Niveaus sowohl des Kurzzeitlernens als auch des Langzeitgedächtnisses können bei s-Fliegen durch selektive Erhöhung des PKG-Niveaus in den Pilzkörpern, die Zentren des olfaktorischen Lernens im Fliegenhirn sind, induziert werden. Somit kann der natürliche Polymorphismus bei for einen evolutionären Kompromiss zwischen Kurz- und Langzeitgedächtnis vermitteln. Die jeweiligen Stärken der Lernleistung der beiden Genotypen scheinen mit ihren Auswirkungen auf das Nahrungssuche-Verhalten zusammenzupassen: Bei R bewegen sich Fliegen mehr zwischen den Nahrungsfeldern und könnten daher besonders von einem schnellen Lernen profitieren, während bei S-Fliegen eher sesshaft sind, was gute Begriffsgedächtnis (Mery, 2007b).

Die zellulären Funktionen von PKG sind schlecht aufgeklärt, und seine nachgeschalteten Effektoren sind größtenteils unbekannt. Säuger-PKG (auch cGKI genannt) spielt eine Rolle bei der synaptischen Plastizität (langfristige Potenzierung und Depression) und scheint sowohl prä- als auch postsynaptisch als nachgeschaltete Komponente der Stickoxid-Signalübertragung zu wirken. Mäuse mit cGKI-Mangel sind in einer kleinhirnabhängigen motorischen Lernaufgabe defekt (Feil, 2003), aber ihre Leistung beim Hippocampus-abhängigen Lernen wird anscheinend nicht beeinträchtigt (Kleppisch, 2003). Es wurde jedoch berichtet, dass die pharmakologische Potenzierung der NO-cGMP-Signalgebung die Leistung von Mäusen in einer Hippocampus-abhängigen Lernaufgabe, dem Wasserlabyrinth, verbessert (Chien, 2005), während die pharmakologische Hemmung der PKG den Gedächtnisabruf bei Hühnern beeinträchtigt (Edwards, 2002). Schließlich wurde kürzlich gezeigt, dass die NO-cGMP-Signalgebung mit einem cAMP-abhängigen Mechanismus bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses bei Grillen interagiert (Matsumoto, 2006). Obwohl die pharmakologische Hemmung von PKG in dieser Studie keinen Einfluss auf das Gedächtnis hatte, deutete dies darauf hin, dass von cGMP abhängige Gedächtnisprozesse parallel zu Prozessen ablaufen können, die durch andere Signalwege vermittelt werden, wie die Rut-Adenylat-Cyclase-abhängige Gedächtnisspur (Mery, 2007b).

Wechselwirkungen zwischen solchen parallelen Signalwegen könnten für die antagonistischen Wirkungen von for-PKG auf das Kurz- und Langzeitgedächtnis verantwortlich sein, über die hier berichtet wird. Allerdings wird angenommen, dass sich das Langzeitgedächtnis auf der Grundlage des Kurzzeitgedächtnisses bildet (wobei das Mittelzeitgedächtnis ein Zwischenschritt ist), sodass man eher erwarten würde, dass sie positiv korreliert sind. Eine positive Korrelation zwischen Kurzzeitlernleistung und Langzeitgedächtnis wurde bei Fliegenpopulationen beobachtet, die einer Selektion auf verbesserte Leistung in einer ökologisch relevanten Eiablage-Lernaufgabe unterzogen wurden (Mery, 2007a). Die hier berichteten antagonistischen Wirkungen von FOR auf die Kurzzeitlernleistung und das Langzeitgedächtnis sind daher unerwartet und erfordern mehr Forschung zur Rolle von cGMP-abhängigen Prozessen bei der Gedächtnisbildung (Mery, 2007b).

Obwohl der Mechanismus, durch den -PKG das Lernen und das Gedächtnis moduliert, unbekannt ist, weisen diese Ergebnisse eindeutig auf Pilzkörper als den räumlichen Fokus seiner Wirkung hin. FOR wird in allen drei Untergruppen von Mushroom-Body-Neuronen (α/β, α'/β' und γ) ausgedrückt. Die transgene Expression des auf die α/β Neuronen beschränkten T2-Transkripts war jedoch ausreichend, um ein R-ähnliches Muster des Kurz- und Langzeitgedächtnisses bei s-Fliegen zu induzieren. Die α/β-Neuronen spielen eine zentrale Rolle im olfaktorischen Gedächtnis: Das Abrufen des Gedächtnisses beruht auf der synaptischen Ausgabe dieser Neuronen, und die α-Lappen enthalten eine Langzeitgedächtnisspur. Eine Rolle von FOR in α'/β'- und γ-Neuronen, die auch beim olfaktorischen Lernen eine Rolle spielen, kann jedoch nicht ausgeschlossen werden. Insbesondere der GAL4-Treiber 201Y zeigt nur eine schwache Expression in den α/β Neuronen und anscheinend nur in denen, die zu den Kernen der α/β Lappen projizieren γ Neuronen. Dennoch hatte die Verwendung dieses Treibers zur Steuerung des Ausdrucks von für T2 denselben Effekt auf die Lernleistung wie die Verwendung der anderen beiden Treiberlinien. Dies impliziert entweder, dass ein niedriges Niveau der T2-Expression in den α/β Neuronen für die volle Wirkung auf das Kurz- und Langzeitgedächtnis ausreicht, oder dass die T2-Expression in den γ Neuronen ebenfalls zu beiträgt dieser Effekt. Die Identifizierung von GAL4-Linien, die für α'/β'- und γ-Neuronen spezifisch sind, wird helfen, die Wirkung von for-Expression in diesen Neuronen auf die Gedächtnisbildung und -konsolidierung aufzulösen (Mery, 2007b).

Es gibt eine Fülle von Beweisen für die ökologische Bedeutung des Lernens bei einer Vielzahl von Insekten. Bei Drosophila deuten experimentelle Daten darauf hin, dass Larven lernen, Nahrung zu finden und Räuber zu vermeiden . Obwohl das Verständnis ökologischer Aspekte des Lernens bei Fruchtfliegen noch rudimentär ist, gibt es also Hinweise darauf, dass es zu ihrer Fitness unter natürlichen Bedingungen beiträgt. Dies würde erklären, warum Drosophila lernfähig sind, obwohl die Lernfähigkeit eine kostspielige Anpassung ist. Aber ist die Wirkung von Polymorphismus auf Lernen und Gedächtnis ökologisch relevant? Das klassische Konditionierungsparadigma, das in dieser Arbeit verwendet wird, ermöglicht die Kontrolle der Menge des Schocks und der Gerüche, die von den Fliegen empfangen werden, und die Analyse der Gedächtnisdynamik, aber seine Relevanz für Situationen, in denen Drosophila in der Natur lernt, ist unklar. Nichtsdestotrotz beruhen unterschiedliche Formen des olfaktorischen Lernens, die unterschiedliche Kontexte und Reize beinhalten, zumindest teilweise auf denselben Genen und neuronalen Schaltkreisen und werden von derselben natürlich vorkommenden genetischen Variation beeinflusst. In Übereinstimmung mit dieser Vorstellung beeinflussen die for-Allele auch das larvale Appetitlernen. Es ist daher vernünftig zu erwarten, dass die Lern- und Gedächtnisunterschiede zwischen den Genotypen ihre Lernleistung in der Natur beeinflussen und somit zur natürlichen Selektion auf diesen Polymorphismus beitragen können (Mery, 2007b).

Inwieweit die Lernfähigkeit durch natürliche Selektion begünstigt wird und welche Aspekte bevorzugt werden, sollte von der Umgebung abhängen. Insbesondere schnelles Lernen wäre von großem Vorteil, wenn sich die Umgebung im Laufe des Lebens eines Individuums häufig ändert, während ein gutes Langzeitgedächtnis in stabileren Umgebungen besonders nützlich wäre. Rover-Fliegen (für R) sind wahrscheinlich anfälliger für die Begegnung mit verschiedenen Umgebungen im Laufe ihres Lebens als sitzende (für s)-Fliegen Nahrung auf der Suche nach einem anderen. Es ist daher verlockend zu spekulieren, dass die überlegene Kurzzeitlernleistung von R-Fliegen und das gute Langzeitgedächtnis von R-Fliegen Elemente komplexer Rover- und Sitter-Evolutionsstrategien sind, die an variable bzw. konstante Umgebungen angepasst sind. Man könnte jedoch auch argumentieren, dass Roverfliegen von einem guten Langzeitgedächtnis profitieren würden, wenn sie zuvor besuchte Orte erneut besuchen. In Ermangelung von Beweisen ist es sparsamer, die antagonistischen Effekte der for-Allele auf das Kurzzeitlernen und das Langzeitgedächtnis als mechanistische Folge der Rolle der PKG bei neuronalen Prozessen zu betrachten. Wie oben diskutiert, ist über diese Rolle zu wenig bekannt, um den Mechanismus dieses Antagonismus zu verstehen. Es ist auch nicht klar, ob dieser Antagonismus typisch für natürliche Allelvarianten ist, was zu einem starken Kompromiss zwischen Kurz- und Langzeitgedächtnis führt. Das Muster genetischer Korrelationen zwischen verschiedenen Gedächtnisphasen in natürlichen Genpools wurde nicht untersucht, mit Ausnahme einer Studie (Mery, 2007a), in der sich sowohl die Kurzzeitlernrate als auch das Langzeitgedächtnis als Reaktion auf die Selektion auf die Lernleistung in einer ökologischen relevante Aufgabe (Mery, 2007b).

Unabhängig davon, ob sie Teil koadaptierter alternativer Strategien sind oder mechanistische Folgen von Unterschieden in der PKG-Aktivität sind, die Lern- und Langzeitgedächtnisunterschiede zwischen den Genotypen tragen wahrscheinlich zur natürlichen Selektion auf den allelischen Varianten des Polymorphismus bei. Neben seiner Wirkung auf das Lernen beeinflusst der for-Polymorphismus jedoch eine Reihe weiterer Verhaltensmerkmale und physiologischer Merkmale von ökologischer Relevanz. Es beeinflusst auch die Konkurrenzfähigkeit der Larven in einer dichteabhängigen Weise, wobei eine hohe Populationsdichte das for R-Allel und eine geringe Dichte das for s-Allel begünstigt. Darüber hinaus scheint unter bestimmten Umständen eine negative frequenzabhängige Selektion das derzeit seltene der beiden Allele zu begünstigen, was wahrscheinlich zur Aufrechterhaltung dieses Polymorphismus in der Natur beiträgt. Somit wird die Gesamtkraft der Selektion, die auf die For-Allele einwirkt, die Gesamtwirkung ihrer vielfältigen pleiotropen Wirkungen auf das Überleben und die Fortpflanzung widerspiegeln. Wenn ein so hoher Grad an Pleiotropie typisch für natürliche Allele wäre, die das Lernen beeinflussen, hätte dies zwei wichtige Konsequenzen für die Evolution kognitiver Merkmale. Erstens wären evolutionäre Veränderungen der Lernfähigkeit mit Veränderungen anderer ökologisch relevanter Merkmale verbunden. Zweitens könnten sich verbessertes Lernen oder verbessertes Gedächtnis eher als Nebenprodukt der natürlichen Selektion auf andere Merkmale als aufgrund der Fitnessvorteile des Lernens selbst entwickeln (Mery, 2007b).

Nahrungssuche verändert die Widerstandsfähigkeit/Anfälligkeit für Schlafstörungen und Hunger bei Drosophila

Jüngste Studien am Menschen deuten darauf hin, dass genetische Polymorphismen es einem Individuum ermöglichen, während des Schlafentzugs (SD) eine optimale kognitive Funktion aufrechtzuerhalten. Wenn solche Polymorphismen nicht mit zusätzlichen Kosten verbunden wären, würde der Selektionsdruck es diesen Allelen ermöglichen, sich in der Bevölkerung auszubreiten, so dass eine evolutionäre Alternative zum Schlaf entstehen würde. Um festzustellen, ob mit der Widerstandsfähigkeit gegen Schlafverlust tatsächlich Kosten verbunden sind, werden natürliche allelische Varianten des auf Nahrungssuche Gen (zum) wurden entweder mit Schlafentzug oder Verhungern herausgefordert. Fliegt mit hohem Proteinkinase G (PKG) (für R R steht für „Rover“) zeigen nach 12 Stunden Schlafentzug keine Defizite im Kurzzeitgedächtnis. Das Kurzzeitgedächtnis ist jedoch erheblich gestört, wenn für R Fliegen hungern über Nacht. Fliegen dagegen mit niedrigen PKG-Werten (für s , für s2 s steht für „Sitter“) zeigen erhebliche Defizite im Kurzzeitgedächtnis nach Schlafentzug, behalten aber ihre Lernfähigkeit nach 12 Stunden Hunger. Man fand heraus, dass für R Phänotypen ließen sich weitgehend rekapitulieren für s fliegt, indem es selektiv den PKG-Spiegel in den α/β-Lappen der Pilzkörper erhöht, einer Struktur, die dafür bekannt ist, sowohl den Schlaf als auch das Gedächtnis zu regulieren. Zusammen weisen diese Daten darauf hin, dass, während der Ausdruck von zum in einem Umweltkontext als widerstandsfähig erscheinen mag, kann es in anderen Situationen eine unerwartete Verwundbarkeit verleihen. Zu verstehen, wie diese Kompromisse Widerstandsfähigkeit oder Anfälligkeit für bestimmte Umweltherausforderungen verleihen, kann zusätzliche Hinweise darauf liefern, warum keine evolutionäre Alternative zum Schlaf entstanden ist (Donlea, 2012).

Die Ergebnisse zeigen nicht nur, dass die natürlich vorkommenden auf Nahrungssuche Polymorphismus moduliert die Schlafhomöostase, zeigt aber auch, dass die Resistenz gegen Schlafverlust durch höhere Konzentrationen von auf Nahrungssuche hat einen Kompromiss, der sich als erhöhte Anfälligkeit für Hunger zeigt. Im Gegensatz dazu ist eine geringere Nahrungssuche mit einer Hungerresistenz und einem entsprechenden Kompromiss verbunden, was durch eine erhöhte Anfälligkeit für SD angezeigt wird. Wichtig ist, dass die Phänotypen, die bei Nahrungssuche-Allelen beobachtet werden, weitgehend rekapituliert werden können, indem die Nahrungssuche in den α/β-Lappen der MBs überexprimiert oder reduziert wird (Donlea, 2012).

Hat die Variabilität der Resilienz gegenüber Schlafverlust, die durch den Polymorphismus verliehen wird, eine ökologische Relevanz? Derzeit ist nicht klar, ob die Fähigkeit, Schlafverlust zu widerstehen, einen Vorteil in der reproduktiven Fitness bringen und somit die natürliche Selektion am for-Locus beeinflussen kann. Außerdem ist die zum Locus ist besonders pleiotrop und wurde mit der Modulation von Lernen und Gedächtnis sowie metabolischer Plastizität in Verbindung gebracht, was es schwierig macht, zu spezifizieren, welcher Phänotyp auf einen gegebenen Selektionsdruck ansprechen könnte, der darauf abzielt, die Allelvariation am for-Locus zu ändern. Es wurde jedoch festgestellt, dass Fliegen, die ein bestimmtes for-Allel tragen, einen relativen Fitnessvorteil haben, wenn dieses Allel seltener ist (Donlea, 2012).

Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Idee, dass Fliegen die Widerstandsfähigkeit, die ihr durch ihren Genotyp verliehen wird, ausnutzen könnten, um ihre Reproduktionschancen zu erhöhen. Wenn beispielsweise eine Roverfliege in einer Population lebt, in der die für s Allel am häufigsten vorkommt, könnte es seine reproduktive Fitness erhöhen, indem es auf Schlaf verzichtet, um sich nachts zu paaren, während seine sitzenden Nachbarn sich ausruhen müssen. Diese Strategie kann es dem Rover ermöglichen, die Konkurrenz um einen Partner zu reduzieren und dennoch am nächsten Tag eine optimale Funktion aufrechtzuerhalten. Umgekehrt könnte eine Sitter-Fliege Rover-Rivalen verdrängen, indem sie auf eine Fütterung zur Paarung verzichtet. Unter dieser Hypothese könnten beide natürlichen Allele (zusammen mit ihren damit verbundenen Widerstandsfähigkeiten) innerhalb einer bestimmten Fliegenpopulation aufrechterhalten werden (Donlea, 2012).

Es wurde gezeigt, dass ökologische Belastungen Höhlenfische beeinflussen, die von der Nähe der Oberfläche von Seen in tiefere Höhlen gewandert sind. Sich ändernde ökologische Belastungen haben dazu geführt, dass jede dieser Populationen unabhängig voneinander weniger schläft als ihre oberflächenbewohnenden Vorfahren, und, was noch wichtiger ist, alle drei haben ähnliche genetische Anpassungen vorgenommen, um sich an eine Verkürzung der Schlafzeit anzupassen. Es ist möglich, dass der Polymorphismus in zum als Reaktion auf solche ökologischen Bedingungen, wie eine anhaltende Nahrungsknappheit, die Tiere auswählen könnte, die dem Hungertod standhalten könnten, oder auf saisonale Veränderungen in der Länge der Nächte, die die Schlafzeit einschränken könnten (Donlea, 2012).

Letztlich muss noch geklärt werden, inwieweit die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schlafverlust zur Häufigkeit von for-Allelen in klinisch variierenden natürlichen Fliegenpopulationen beiträgt. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass bei Caenorhabditis elegans und bei Mäusen eine Rolle der PKG bei der Schlafregulation identifiziert wurde, was darauf hindeutet, dass der Einfluss der PKG auf die Schlafregulation wahrscheinlich evolutionär konserviert ist (Donlea, 2012).

Studien am Menschen weisen darauf hin, dass Individuen in ihrer Anfälligkeit für Schlafverlust stark variieren. Vor diesem Hintergrund haben mehrere Laboratorien damit begonnen, natürlich vorkommende Polymorphismen beim Menschen zu untersuchen, um ihre Rolle bei dieser unterschiedlichen Empfindlichkeit zu bestimmen. Beispielsweise ist ein Polymorphismus in PERIOD3 (PER3) mit größeren kognitiven Defiziten nach SD verbunden. In ähnlicher Weise führt ein funktioneller Polymorphismus der Adenosindeaminase zu einem erhöhten Schlafdruck und einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber SD. Darüber hinaus verändert ein funktioneller Polymorphismus des vom Gehirn abgeleiteten neurotrophen Faktors die EEG-Slow-Wave-Aktivität sowohl während der Grundlinie als auch während der Erholung nach SD. Arzneimittel werden häufig verwendet, um die negativen Ergebnisse von SD auszugleichen. Es überrascht nicht, dass Polymorphismen auch die Wirksamkeit von Medikamenten beeinflussen, um die Leistung bei SD zu verbessern. In diesem Zusammenhang legt die vorliegende Studie nahe, dass cGMP-Signalwege und PKG ein möglicher Signalweg für die Schlafresilienz sind (Donlea, 2012).

Einzelnukleotid-Polymorphismus beim Menschen für das Orthologe PRKG1 konnte auf Assoziation mit Schlafverlust untersucht werden. Daher haben Humanstudien begonnen, molekulare Signalwege zu identifizieren, die nicht nur die Schlafzeit, sondern auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schlafverlust verändern. Leider ist die Bestimmung, ob ein Polymorphismus beim Menschen auch mit unerwarteten Kompromissen verbunden ist, zeitaufwendig und kostspielig. Solche Experimente sind jedoch im Handumdrehen handhabbar. Tatsächlich hat ein früherer Bericht natürliche genetische Varianten gefunden, die während der primären Wachphase der Fliege zur Grundschlafzeit beitragen (Donlea, 2012).

Die Daten erweitern diese Ergebnisse, um zu zeigen, dass natürlich vorkommende Polymorphismen die Schlafhomöostase verändern und vor allem die Widerstandsfähigkeit gegen Schlafverlust verleihen können. Darüber hinaus legen die Daten nahe, dass die Kraft der Drosophila-Genetik auf diese Fragen angewendet werden kann, um den Mechanismus und das Ausmaß zu bestimmen, in dem ein Polymorphismus unerwartete Kompromisse aufweist. Zu verstehen, wie diese Kompromisse Resilienz oder Anfälligkeit gegenüber spezifischen Umweltherausforderungen verleihen, ist für das Verständnis sowohl der Bedeutung des Schlafs während der Evolution als auch der translationalen Schlafforschung von großer Bedeutung (Donlea, 2012).

Ein genetischer Screen für olfaktorische Gewöhnungsmutationen bei Drosophila: Analyse neuer auf Nahrungssuche Allele und ein zugrunde liegender neuronaler Schaltkreis

Gewöhnung ist eine Form des nicht-assoziativen Lernens, die es Tieren ermöglicht, ihre Reaktion auf wiederholte harmlose Reize zu reduzieren. Bei Exposition gegenüber Ethanoldämpfen zeigen Drosophila eine olfaktorisch vermittelte Schreckreaktion, die durch eine vorübergehende Zunahme der Bewegungsaktivität gekennzeichnet ist. Bei wiederholter Exposition schwächt sich dieser olfaktorische Schreck mit den Merkmalen der Gewöhnung ab. Diese Studie beschreibt die Ergebnisse eines genetischen Screenings zur Identifizierung von olfaktorischen Startle Habituation (OSH) Mutanten. Eine Mutation ist ein transkriptspezifisches Allel von Nahrungssuche (für) eine cGMP-abhängige Kinase kodiert. Dieses Allel von zum reduziert den Ausdruck von a für-T1 Isoform, die im Kopf exprimiert wird und normal funktioniert, um den Arbeitsschutz zu hemmen. für-T1 Funktion wurde auf eine begrenzte Anzahl von Neuronen lokalisiert, die olfaktorische Rezeptorneuronen (ORNs) und den Pilzkörper (MB) umfassen. Überexpression von für-T1 in ORNs inhibiert OSH, ein Effekt, der auch bei der synaptischen Stummschaltung der ORNs für T1 beobachtet wird, kann daher in ORNs dazu dienen, die synaptische Freisetzung bei wiederholter Exposition gegenüber Ethanoldampf zu verringern. Insgesamt trägt diese Arbeit zum Verständnis der Gene und Neuronen bei, die der olfaktorischen Gewöhnung bei Drosophila zugrunde liegen (Eddison, 2012).

Diese Studie beschreibt die Isolierung von Drosophila Mutanten, die die olfaktorische Schreckgewöhnung (OSH) dieser 26 Mutanten stören, zeigte die Mehrheit einen erhöhten OSH. Zusätzliche gezielte Analysen identifizierten auch mehrere Stämme, die Mutationen in Genen tragen, die eine Rolle in Septenverbindungen spielen, was diese Struktur bei der Regulierung von OSH impliziert. Zwei Mutationen wurden charakterisiert in zum die den Arbeitsschutz aufgrund der reduzierten Expression eines spezifischen zum Produkt, FOR-T1. für-T1 begrenzt OSH, indem es in einer Untergruppe von Neuronen funktioniert, die ORNs und MB enthalten. Die Daten weiter Karte für-T1 funktionieren hauptsächlich auf ORNs, was bedeutet, dass OSH in den sensorischen Neuronen des olfaktorischen Schaltkreises auftreten kann (Eddison, 2012).

zum kodiert mehrere Isoformen der Proteinkinase G (PKG), einer cGMP-abhängigen Serin/Threonin-Kinase, die die neuronale Erregbarkeit reguliert. In Bezug auf die Gewöhnung ist die natürliche Variante (für s ) mit reduzierter PKG-Aktivität hat auch eine reduzierte Gewöhnung des Riesenfasersystems, das Fluchtreaktionen auf visuelle Reize und das gustatorische PER vermittelt, was impliziert, dass zum schränkt diese Verhaltensweisen ein. Diese Studie zeigt, dass zum schränkt somit auch den Arbeitsschutz ein zum scheint ein zentraler Gewöhnungsunterdrücker zu sein, unabhängig von der sensorischen Modalität. Es bleibt die Frage, ob zum Isoformen und ihre Funktion ist in diesen separaten neuronalen Populationen ähnlich. Interessanterweise ist die Säugetier-PKG mit der höchsten Homologie zu zum, PRKG1, wurde mit einer Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung in Verbindung gebracht, einem Zustand, der durch einen anhaltenden Mangel an Aufmerksamkeit gekennzeichnet ist, möglicherweise aufgrund einer Unfähigkeit, sich an große Mengen von Informationen aus der Umgebung zu gewöhnen (Eddison, 2012).

Ethanol aktiviert mehrere Geruchsrezeptoren (ORs): OR7a, OR22a, OR35a, OR85b. Obwohl seltsamerweise die Aktivität der ORNs, die diese ORs exprimieren, für Fliegen nicht erforderlich zu sein scheint, um den Geruch von Ethanol anfänglich wahrzunehmen, da das Ausmaß der anfänglichen Schreckreaktion durch die synaptische Stummschaltung mit . nicht beeinflusst wurde Orco-GAL4. Interessanterweise erschien ein Glomerulus, der in für 11.247 -GAL4 heterozygot ist VC31, das OR35a exprimiert, das OR, das am stärksten durch akutes Ethanol aktiviert wird. Daher könnte VC31 ein Glomerulus sein, der ethanolinduzierten OSH vermittelt. Es ist auch erwähnenswert, dass Ethanol neben der Aktivierung bestimmter ORs auch ein bekanntes GABA . istEIN Rezeptoragonist und kann auch auf GABA . wirkenEIN in LNs und PNs exprimierte Rezeptoren, die den Arbeitsschutz fördern (Eddison, 2012).

Wie könnte für-T1 Funktion in ORNs, um den Arbeitsschutz zu begrenzen? Schon seit für-T1 Überexpression in ORNs oder deren synaptische Stummschaltung, reduzierte OSH, für-T1 kann den Arbeitsschutz einschränken, indem die synaptische Freisetzung verringert wird. Tatsächlich sind kultivierte Neuronen von für s Fliegen mit reduzierter PKG-Aktivität zeigen eine erhöhte Erregbarkeit, was zu einer erhöhten spontanen und evozierten Aktivität führt. für-T1 kann eine verringerte synaptische Freisetzung durch Modulieren des cAMP-Spiegels erreichen, wie dies bei PKG in Säuger-ORNs der Fall ist. Alternativ kann es, wie in den Säugetierneuronen, eine Reihe möglicher Substrate phosphorylieren, darunter: TRPC-Kanäle, die den Ca 2+ -Einstrom regulieren, SEPTIN3, ein Regulator des Vesikel-Targeting oder -Tethering, oder Transporter von Serotonin, einem Neurotransmitter, der an der präsynaptischen Hemmung in beteiligt ist die AL (Eddison, 2012).

Schließlich deuten diese Daten darauf hin, dass olfaktorische Gewöhnung in den Neuronen 1. olfaktorische Gewöhnung. MB-Silencing- und Ablationsexperimente legen ebenfalls nahe, dass diese Neuronen dritter Ordnung ebenfalls beteiligt sind. Tatsächlich zeigen Studien an der Ratte, dass der olfaktorische Kortex und nicht die peripheren Schaltkreise die olfaktorische Gewöhnung regulieren. Daher scheint die Fähigkeit, sich an olfaktorische Signale zu gewöhnen, über den gesamten olfaktorischen Kreislauf verteilt zu sein. Tatsächlich blockierte die synaptische Stummschaltung entweder der ORNs oder der MB OSH nicht vollständig, wie man erwarten könnte, wenn die Gewöhnung an einem einzigen Punkt in der Schaltung auftritt. Dieser verteilte Gewöhnungsmechanismus kann der Fruchtfliege eine größere Flexibilität im Zusammenspiel zwischen ihren angeborenen Reaktionen und der erlernten Erfahrung ermöglichen (Eddison, 2012).

Kontrolle der anoxischen Toleranz bei adulten Drosophila über den cGMP-PKG-Weg

Eine cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG)-Kaskade ist ein biochemischer Stoffwechselweg, der für die Kontrolle der sauerstoffarmen Toleranz bei der erwachsenen Fruchtfliege Drosophila melanogaster entscheidend ist. Obwohl erwachsene Drosophila in Umgebungen mit 0% Sauerstoff (Anoxie) stundenlang überleben können, führt Luft mit weniger als 2% Sauerstoff schnell zu einem Versagen des Bewegungsapparates, was zu einem anoxischen Koma führt. Natürliche genetische Variation und eine induzierte Mutation im Nahrungssuche (für) Gen, das eine Drosophila-PKG kodiert, wurden verwendet, um zu zeigen, dass das Einsetzen des anoxischen Komas mit der PKG-Aktivität korreliert. Fliegen mit einer geringeren PKG-Aktivität zeigen eine signifikante Verlängerung der Zeit bis zum Einsetzen des anoxischen Komas. Weiterhin zeigen pharmakologische In-vivo-Manipulationen, dass die Verringerung entweder der PKG- oder der Proteinphosphatase 2A (PP2A)-Aktivität die Verhaltenstoleranz gegenüber akuten hypoxischen Zuständen erhöht. Alternativ verkürzen PKG-Aktivierung und Phosphodiesterase (PDE5/6)-Hemmung die Zeit bis zum Einsetzen des anoxischen Komas signifikant. Durch die Manipulation dieser Ziele in gepaarten Kombinationen wurde eine spezifische PKG-Kaskade mit vor- und nachgelagerten Komponenten charakterisiert. Weiterhin überleben unter Verwendung genetischer Varianten der PKG-Expression/-Aktivität, die einer chronischen Anoxie über 6 h ausgesetzt sind, etwa 50% der Tiere mit höherer PKG-Aktivität, während nur etwa 25% der Tiere mit niedrigerer PKG-Aktivität nach einer 24-stündigen Erholung überleben. Daher beschreibt dieser Bericht den PKG-Pfad und den unterschiedlichen Schutz der Funktion gegenüber dem Überleben in einer kritisch niedrigen Sauerstoffumgebung (Dawson-Scully, 2010).

Eine cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) kontrolliert die synaptische Übertragungstoleranz gegenüber akutem oxidativem Stress an der neuromuskulären Verbindung der Drosophila-Larven

Zunehmende Beweise zeigen, dass die Modulation des cGMP-abhängigen Proteinkinase G (PKG)-Signalwegs eine Reihe von Verhaltensphänotypen bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster hervorruft. Veränderung der PKG-Aktivität, entweder genetisch über die Nahrungssuche (für) Gen oder die Verwendung von Pharmakologie verändert die Toleranz gegenüber akutem abiotischem Stress wie Hyperthermie und Hypoxie. Es wurde gezeigt, dass die PKG-Signalgebung die Neuroprotektion in vielen experimentellen Paradigmen von akutem Hirntrauma und chronischen neurodegenerativen Erkrankungen moduliert. Es ist jedoch relativ wenig darüber bekannt, wie dieser stressinduzierte neuroprotektive Mechanismus die neuronale Kommunikation beeinflusst. Diese Studie untersuchte die Rolle der PKG-Aktivität bei der synaptischen Übertragung an der neuromuskulären Verbindung der Drosophila-Larve (NMJ) während akutem oxidativem Stress. Die Anwendung von 2,25 mM Wasserstoffperoxid (H2Ö2) stört die synaptische Funktion, indem sie die Rate des neuronalen Versagens schnell erhöht. Diese Studie berichtet, dass die Verringerung der PKG-Aktivität entweder durch natürliche genetische Variation oder eine induzierte Mutation des zum Gen erhöht die synaptische Toleranz während akuter oxidativer Zustände. Darüber hinaus zeigten pharmakologische Manipulationen, dass die Neurotransmission während akuter H . signifikant verlängert ist2Ö2 Exposition bei Hemmung des PKG-Signalwegs. Umgekehrt verkürzte die Aktivierung dieser Signalkaskade entweder durch Genetik oder Pharmakologie die Zeit bis zum Synapsenversagen signifikant. Daher deuten diese Ergebnisse auf eine potenzielle Rolle der PKG-Aktivität bei der Regulierung der Toleranz der synaptischen Übertragung bei akutem oxidativem Stress hin, wobei die Hemmung den funktionellen Schutz fördert, während die Aktivierung die Anfälligkeit für den Abbau der Neurotransmission erhöht (Caplan, 2013).

Das visuelle Orientierungsgedächtnis von Drosophila erfordert Nahrungssuche (PKG) stromaufwärts von Ignorant (RSK2) in Ringneuronen des Zentralkomplexes

Orientierung und Navigation in einer komplexen Umgebung erfordern Pfadplanung und Erinnerung, um zielorientiertes Verhalten auszuüben. Gehende Drosophila-Fliegen besitzen ein visuelles Orientierungsgedächtnis für attraktive Ziele, das im zentralen Komplex des adulten Gehirns lokalisiert ist. Diese Studie zeigt, dass diese Art des Arbeitsgedächtnisses die cGMP-abhängige Proteinkinase benötigt, die von der auf Nahrungssuche Gen in nur einer Art von Ellipsoid-Körper-Ringneuronen. Darüber hinaus belegen genetische und epistatische Interaktionsstudien, dass die Nahrungssuche stromaufwärts der Ignorant Ribosomal-S6 Kinase 2 funktioniert, was einen neuen neuronalen Signalweg aufdeckt, der für diese Art von Gedächtnis bei Drosophila notwendig ist (Kuntz, 2012).

Denn Signalisierung wurde bisher in verschiedenen Speichertypen impliziert, jedoch benötigen diese Speicher im Gegensatz zum Arbeitsspeicher im Umwegparadigma einen längeren Zeitrahmen, um aufgebaut zu werden. Man nimmt an, dass Stickstoffmonoxid, das initiierende Molekül des cGMP/PKG-Wegs, bei Säugetieren als retrograder Botenstoff während der Induktion der Langzeitpotenzierung (LTP) wirkt. Eine LTP-Verstärkung wurde nach Zugabe von PKG-Aktivatoren und eine Langzeitdepression nach Zugabe von PKG-Inhibitoren berichtet. Mäuse, die einen Knock-out für das Pkg-Gen tragen, zeigen eine reduzierte Fähigkeit des motorischen Lernens aufgrund eines Verlusts der synaptischen Plastizität im Kleinhirn. Darüber hinaus zeigen Mäuse, denen Pkg in der Amygdala fehlt, eine Beeinträchtigung der Angstkonditionierung und cGMP/PKG-Signalgebung im Hippocampus ist für eine neuartige Objekterkennung erforderlich. Bei Insekten ist For an verschiedenen Arten von Nahrungssuchverhalten und assoziativen Erinnerungen beteiligt, bei denen die Bildung der Lernspuren mindestens Sekunden dauert. Im Gegensatz dazu stellt das im Umwegparadigma beobachtete Orientierungsgedächtnis eine Form des Arbeitsgedächtnisses dar, das in Sekundenbruchteilen kontinuierlich aktualisiert werden muss. Während die Phosphorylierung und Aktivierung von For und Ignorant der Mechanismus sein könnte, durch den diese Kinasen länger anhaltende Erinnerungen beeinflussen, wird es als unwahrscheinlich angesehen, dass dieser Mechanismus am sich ständig und schnell ändernden Orientierungsgedächtnis beteiligt ist. Beide Kinasen müssten bei jedem Flug online aktiviert oder inaktiviert werden. Auf der anderen Seite wurde RSK2 an mehreren zellulären Prozessen und der Transkriptionskontrolle beteiligt. Es wird daher spekuliert, dass der biochemische Weg, in dem beide Kinasen arbeiten, notwendig ist, um den Ringneuronen die Fähigkeit zu verleihen, die Signalgebung effizient und schnell zu ändern, um die Orientierung zu kodieren. Zum Beispiel könnten Ringneuronen eine höhere Dichte an synaptischen Freisetzungsstellen und/oder dendritischen Neurotransmitterrezeptoren benötigen, um ihre spezifische Funktion auszuüben (Kuntz, 2012).

PKG-Funktionen bei Wirbellosen

Eine schädliche Stimulation kann eine anhaltende Sensibilisierung somatosensorischer Systeme auslösen, die gedächtnisähnliche Mechanismen beinhaltet. Die schädliche Stimulation der Molluske Aplysia erzeugt eine transkriptionsabhängige, langfristige Übererregbarkeit (LTH) von nozizeptiven sensorischen Neuronen, die einen Stickstoffmonoxid (NO)-zyklischen GMP-Proteinkinase G (PKG)-Weg erfordert. Die Injektion von cGMP induziert LTH, wohingegen Antagonisten des NO-cGMP-PKG-Wegs Pinch-induziertes LTH verhindern. Die Co-Injektion von Calcium/cAMP-responsive-Element (CRE) blockiert sowohl Pinch-induziertes LTH als auch cAMP-induziertes LTH, aber Antagonisten der Proteinkinase A (PKA) blockieren Pinch-induziertes LTH nicht. Somit sind der NO-cGMP-PKG-Weg und mindestens ein anderer Weg, jedoch nicht der cAMP-PKA-Weg, entscheidend für die Induktion von LTH nach kurzer, schädlicher Stimulation (Lewin, 1999).

Gene können die natürliche Verhaltensvariation auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Allelische Variation verursacht alternative Verhaltensphänotypen, während Veränderungen der Genexpression die Initiation von Verhalten in verschiedenen Altersstufen beeinflussen können. Der altersbedingte Übergang der Honigbienen von der Arbeit im Bienenstock zur Nahrungssuche ist mit einer erhöhten Expression des Nahrungsgens ( for ) verbunden, das eine Guanosin-3',5'-monophosphat (cGMP)-abhängige Proteinkinase (PKG) kodiert. . cGMP-Behandlung erhöht die PKG-Aktivität und verursacht Nahrungssuche. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass allelische Unterschiede in der PKG-Expression zu zwei Drosophila-Futtersuchvarianten führen. Dasselbe Gen kann somit unterschiedliche Arten von Einfluss auf ein Verhalten ausüben (Ban-Shahar, 2002).

Die Arbeitsteilung in Honigbienenvölkern wird beeinflusst durch die auf Nahrungssuche Gen (Amfor), die für eine cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) kodiert. Amfor Hochregulation im Bienengehirn ist mit dem altersbedingten Übergang von der Arbeit im Bienenstock zur Nahrungssuche im Freien verbunden, und die cGMP-Behandlung (die die PKG-Aktivität erhöht) verursacht eine frühreife Nahrungssuche. Zur Unterstützung der Hypothese, dass Amfor beeinflusst die Arbeitsteilung durch Modulation der Phototaxis. (1) Eine Untergruppe von Arbeiterbienen, die an der Entfernung von Leichen aus dem Bienenstock beteiligt waren, hatte ein sammlerähnliches Gehirnniveau von Amfor Gehirnausdruck, obwohl sie im mittleren Alter altersangepasste Lebensmittelhändler sind, die den Bienenstock nicht verlassen, um ihre Arbeit zu verrichten, hatten niedrige Werte von Amfor Ausdruck. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Berufe, bei denen außerhalb des Bienenstocks gearbeitet wird, mit einem hohen Maß an Amfor im Gehirn. (2) Sammler waren in einem Labortest viel positiver phototaktisch als Bienenstöcke, und die cGMP-Behandlung (Bienen wurden oral mit einer 50%igen Saccharoselösung behandelt, die 8-Br-cGMP enthielt) verursachte einen vorzeitigen Beginn einer positiven Phototaxis. Die cGMP-Wirkung war nicht auf eine allgemeine Zunahme der Verhaltensaktivität zurückzuführen. Die cGMP-Behandlung hatte weder bei konstanter Dunkelheit noch bei einem Hell-Dunkel-Regime einen Einfluss auf die Bewegungsaktivität. Die cGMP-Wirkung war auch nicht auf Veränderungen der zirkadianen Rhythmik zurückzuführen, weder das Alter beim Einsetzen der zirkadianen Rhythmik des Bewegungsapparates noch die Periode der Rhythmizität wurden durch die cGMP-Behandlung beeinflusst. Die Effekte von Amfor auf Phototaxis stehen in keinem Zusammenhang mit der peripheren Verarbeitung Elektroretinogramm-Analyse zeigte keine Wirkung der cGMP-Behandlung auf die Photorezeptoraktivität und keine Unterschiede zwischen unbehandelten Bienenstöcken und Sammlern. Der cAMP/PKA-Weg scheint keine ähnliche Rolle zu spielen wie cGMP/PKG cAMP-Behandlung (orale Verabreichung) hatte keinen Einfluss auf die Phototaxis und die Genexpressionsanalyse zeigte aufgabenbezogene Unterschiede nur für das Gen, das die regulatorische Untereinheit kodiert, nicht aber für das katalytische Untereinheit der PKA. Diese Ergebnisse implizieren einen neuronalen Prozess, der mit der Arbeitsteilung der Honigbiene verbunden ist und durch natürlich vorkommende Veränderungen in der Expression von beeinflusst werden kann Amfor (Ben-Shahar, 2003).

Die dynamische Regulierung der Aktivität der Stickoxidsynthase (NOS) und der cGMP-Spiegel weist auf eine funktionelle Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems hin. Die NO/cGMP-Signalkaskade spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der Migration postmitotischer Neuronen im enterischen Nervensystem der embryonalen Heuschrecke. Während der Embryonalentwicklung wandert eine Population enterischer Neuronen mehrere hundert Mikrometer auf der Oberfläche des Mitteldarms. Diese Mitteldarmneuronen (MG-Neuronen) zeigen eine Stickstoffmonoxid-induzierte cGMP-Immunreaktivität, die mit der Migrationsphase zusammenfällt. Unter Verwendung eines histochemischen Markers für NOS wurden potentielle Quellen von NO in Untergruppen der Mitteldarmzellen unterhalb der wandernden MG-Neuronen identifiziert. Die pharmakologische Hemmung der endogenen NOS-, löslichen Guanylylcyclase (sGC)- und Proteinkinase G (PKG)-Aktivität in der gesamten Embryokultur blockiert die Migration von MG-Neuronen signifikant. Diese pharmakologische Hemmung kann durch Supplementierung mit freier Säure von Protoporphyrin IX, einem Aktivator von sGC, und membrandurchdringendem cGMP gerettet werden, was darauf hinweist, dass die NO/cGMP-Signalgebung für die Migration von MG-Neuronen essentiell ist. Umgekehrt führt die Stimulation der cAMP/Proteinkinase A-Signalkaskade zu einer Hemmung der Zellmigration. Die Aktivierung entweder der cGMP- oder der cAMP-Kaskade beeinflusst die zelluläre Verteilung von F-Aktin in neuronalen Somata auf komplementäre Weise. Die zytochemischen Färbungen und experimentellen Manipulationen der zyklischen Nukleotidspiegel liefern einen klaren Beweis dafür, dass die NO/cGMP/PKG-Signalgebung für die MG-Neuronenmigration permissiv ist, während die cAMP/PKA-Kaskade ein negativer Regulator sein könnte. Diese Ergebnisse zeigen ein zugängliches Invertebratenmodell, in dem die Rolle der NO- und zyklischen Nukleotid-Signalgebung bei der neuronalen Migration in einer natürlichen Umgebung analysiert werden kann (Haase, 2003).

Die Induktion einer langfristigen Übererregbarkeit (LTH) in nozizeptiven sensorischen Neuronen (SNs) von Wirbeltieren nach einer Nervenverletzung ist ein wichtiger Beitrag zu neuropathischen Schmerzen beim Menschen, aber die Signalkaskaden, die diesen LTH induzieren, wurden nicht identifiziert. Insbesondere ist nicht bekannt, wie die Verletzung eines Axons weit vom Zellsoma Veränderungen in der Genexpression im Zellkern hervorruft, die dem LTH zugrunde liegen. Die nozizeptiven SNs von Aplysia (ap) entwickeln ein LTH mit elektrophysiologischen Eigenschaften nach Axotomie ähnlich denen von Säugetierneuronen und sind ein experimentell nützliches Modell, um diese Probleme zu untersuchen. Es wurde eine Aplysia-PKG (cGMP-abhängige Proteinkinase-Proteinkinase G) kloniert, die homolog zu Typ-I-PKGs von Vertebraten ist. Das aktive apPKG wird anschließend retrograd zu den Somata der SNs transportiert, aber in anderen Neuronen, deren Axone verletzt sind, tritt keine apPKG-Aktivität auf. Im Soma phosphoryliert apPKG apMAPK (Aplysia Mitogen-aktivierte Proteinkinase), was zu dessen Eintritt in den Zellkern führt.Überraschenderweise zeigen Studien unter Verwendung rekombinanter Proteine ​​in vivo und in vitro, dass apPKG die Threonineinheit in der T-E-Y-Aktivierungsstelle von apMAPK direkt phosphoryliert, wenn die -Y-Stelle ein Phosphat enthält. Inhibitoren der Stickoxidsynthase, der löslichen Guanylcyclase oder PKG wurden nach Nervenverletzungen verwendet, die jeweils das Auftreten des LTH verhindern. Darüber hinaus verhindert das Blockieren der apPKG-Aktivierung den nuklearen Import von apMAPK. Folglich ist der Stickoxid-PKG-MAPK-Weg ein potenzielles Ziel für die Behandlung von neuropathischen Schmerzen (Sung, 2004).

Molekulare Grundlage für Veränderungen des Verhaltenszustands im sozialen Verhalten von Ameisen

Ein Kennzeichen des Verhaltens ist, dass Tiere auf Umweltveränderungen reagieren, indem sie von einem Verhaltenszustand in einen anderen wechseln. Es fehlen jedoch Informationen über die molekularen Grundlagen dieser Verhaltensänderungen und wie sie durch die Umwelt vermittelt werden. Die Ameise Pheidole pallidula mit ihren morphologisch und verhaltensmäßig unterschiedlichen Haupt- und Nebenarbeiterinnen ist ein ideales System, um Verhaltensänderungen zu untersuchen. Die physisch größeren Majors sind prädisponiert, das Ameisennest zu verteidigen, während die kleineren Minderjährigen die Sammler sind. Trotz dieser Veranlagung sind Majors in der Lage, entsprechend den Bedürfnissen der Kolonie auf die Nahrungssuche umzustellen. Die Ameise auf Nahrungssuche (ppfor)-Gen, das eine cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) kodiert, vermittelt diese Verschiebung. Majors haben höhere PKG-Aktivitäten im Gehirn als Minderjährige, und die räumliche Verteilung des PPFOR-Proteins ist bei diesen Arbeitern unterschiedlich. Insbesondere exprimieren Majors das PPFOR-Protein in 5 Zellen in der Vorderseite des Ameisengehirns, während Minors dies nicht tun. Umweltmanipulationen zeigen, dass die PKG in Gegenwart eines Stimulus für die Nahrungssuche niedriger und höher ist, wenn eine Abwehr erforderlich ist. Schließlich erhöht die pharmakologische Aktivierung von PKG die Abwehr und reduziert das Nahrungssucheverhalten. Somit spielt die PKG-Signalgebung eine entscheidende Rolle bei Verhaltensänderungen von P. pallidula (Lucas, 2009).

Entwicklungsexpression von PKG

cDNA-Klone (PKG Ia und PKG Ib) für Medaka-Fisch-cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) Ia und Ib wurden isoliert und charakterisiert, und es wurde gezeigt, dass beide in den Embryonen nach dem späten Gastrula-Stadium exprimiert werden. Die Transkripte des PKG Ia-Gens sind im Rückenmark und Kiemenbogen vorhanden, während die des PKG Ib-Gens in diesen Organen nur schwach, aber in den Ohrenvesikeln stark exprimiert werden. Die Injektion von PKG Ia-spezifischen Morpholino-Antisense-Oligonukleotiden (Ia-MO) in Medaka-Fischembryonen im Zweizellstadium verursachte schwere Anomalien in den sich entwickelnden Embryonen, wie die Entwicklung eines hammerartigen Kopfes, Verschmelzung der sich entwickelnden Augen und Degeneration von Zellen um die Augen, während die Injektion von PKG Ib-spezifischen Morpholino-Antisense-Oligonukleotiden (Ib-MO) weniger Anomalien in den Embryonen verursachte, selbst wenn sie in höheren Konzentrationen als Ib-MO injiziert wurden. Die PKG I-überexprimierenden Embryonen zeigten kleinere Augen und eine Vergrößerung des Vorderhirns, einen Phänotyp ähnlich dem, der bei cAMP-abhängigen Proteinkinase (PKA)-deprimierten Embryonen beobachtet wurde. In den Embryonen mit PKG-Mangel wurde ein shh-Zielgen, HNF-3b, schwach exprimiert. Dieser Phänotyp ähnelt dem, der in den PKA-überexprimierenden Embryonen beobachtet wurde, was darauf hindeutet, dass der cGMP/PKG-Signalweg an einigen Schritten des shh-Signalwegs beteiligt ist. Gli-Proteine, shh-downstream-Moleküle, werden durch den NO/cGMP-Signalweg phosphoryliert, wahrscheinlich durch PKG in NG108-15-Neuroblastomzellen. Diese Ergebnisse implizieren, dass PKG und PKA gemeinsame Substrate teilen und während der frühen Embryogenese von Medaka-Fischen gegensätzlich wirken (Yamamoto, 2005).

Dimerisierung von PKG

Alle cGMP-abhängigen Proteinkinasen (PKGs) von Säugetieren sind dimer. Die Dimerisierung von PKGs umfasst Sequenzen, die sich in der Nähe der Aminotermini befinden, die ein konserviertes, verlängertes Leucin-Zipper-Motiv enthalten. In PKG Ibeta umfasst dies acht Leu/Ile-Heptad-Wiederholungen, und in der vorliegenden Studie wurden Deletion und ortsgerichtete Mutagenese verwendet, um diese Wiederholungen systematisch zu löschen oder einzelne Leu/Ile zu ersetzen. Die enzymatischen Eigenschaften und Quartärstrukturen dieser gereinigten PKG-Mutanten wurden bestimmt. Alle wiesen spezifische Enzymaktivitäten auf, die mit Wildtyp-PKG vergleichbar waren. Die gleichzeitige Substitution von Alanin an vier oder mehr der Leu/Ile-Heptad-Wiederholungen des Motivs erzeugt eine monomere PKG Ibeta. Die Mutation von zwei Leu/Ile-Heptad-Wiederholungen kann entweder eine dimere oder eine monomere PKG erzeugen. Die Punktmutation von Leu-17 oder Ile-24 unterbricht die Dimerisierung nicht. Diese Ergebnisse legen nahe, dass alle acht Leu/Ile-Heptad-Wiederholungen an der Dimerisierung von PKG Ibeta beteiligt sind. Sechs der acht Wiederholungen reichen aus, um die Dimerisierung zu vermitteln, aber Substitutionen an einigen Positionen scheinen einen größeren Einfluss auf die Dimerisierung zu haben als andere. Der Ka von cGMP für die Aktivierung von monomeren Mutanten ist 2- bis 3-fach höher als der von dimerem PKG Ibeta vom Wildtyp, und die cGMP-Dissoziationsrate der hochaffinen cGMP-Bindung ist entsprechend 2- bis 3-fach erhöht Stelle dieser Monomere. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Dimerisierung die Sensitivität für die cGMP-Aktivierung des Enzyms erhöht (Richie-Jannetta, 2003).

PKG-Mutation

Die cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) ist der Hauptmediator der Stickoxid-induzierten Relaxation der glatten Muskulatur. Obwohl dieser Weg gut etabliert ist, ist die zelluläre Wirkung von PKG, Stickstoffmonoxid und cGMP komplex und nicht vollständig verstanden. Ein Cross-Talk zwischen cGMP-PKG und anderen Signalwegen (z. B. cAMP-Proteinkinase A) scheint zu bestehen. Die cGMP- und cAMP-abhängige Relaxation der glatten Muskulatur wurde unter Verwendung von PKG-defizienten Mäusen (cGKI-/-) untersucht. In intakten Ileumstreifen von Wildtyp-Mäusen (cGKI+/+) hemmte 8-Br-cGMP die anhaltende Phase der Carbachol-Kontraktionen um ungefähr 80%. Der anfängliche Peak wurde weniger gehemmt (ungefähr 30%). Diese Relaxation war mit einer Verringerung der intrazellulären [Ca2+] und einer verringerten Ca2+-Empfindlichkeit verbunden. Die Kontraktionen des cGKI-/- Ileums wurden durch 8-Br-cGMP nicht beeinflusst. EC50 für 8-Br-cGMP für PKG wurde auf 10 nm geschätzt. Die PKG-unabhängige Relaxation durch 8-Br-cGMP hatte eine EC50 von 10 Mikrometer. Relaxation durch cAMP (ungefähr 50% bei 100 Mikrometer), Ca2+ Kraftempfindlichkeit und Kraftpotenzierung durch GTPgammaS waren in cGKI+/+ und cGKI-/- Geweben ähnlich. Die Ergebnisse zeigen, dass PKG das Hauptziel für die cGMP-induzierte Relaxation in der glatten Darmmuskulatur ist. cGMP desensibilisiert das kontraktile System gegenüber Ca2+ über PKG. PKG-unabhängige Wege werden bei 1000-fach höheren cGMP-Konzentrationen aktiviert. Relaxation durch cAMP kann unabhängig von PKG erfolgen. Ein langfristiger PKG-Mangel führt nicht zu einer offensichtlichen Hochregulierung der cAMP-abhängigen Signalwege oder zu Veränderungen der Ca2+-Sensitivität (Bonnevier, 2004).

Es wurde vermutet, dass cGMP-abhängige Proteinkinase I (PKG-I) zur Erleichterung der nozizeptiven Übertragung im Rückenmark beiträgt, vermutlich indem sie als nachgeschaltetes Ziel von Stickstoffmonoxid wirkt. PKG-I-Aktivatoren verursachen jedoch widersprüchliche Wirkungen auf das nozizeptive Verhalten. In der vorliegenden Studie wurden PKG-I -/- Mäuse verwendet, um die Rolle von PKG-I bei der Nozizeption weiter zu untersuchen. PKG-I-Mangel ist mit einem reduzierten nozizeptiven Verhalten im Formalin-Test und einer Zymosan-induzierten Pfotenentzündung verbunden. Die akute thermische Nozizeption im Hot-Plate-Test blieb jedoch unverändert. Nach der spinalen Abgabe des PKG-Inhibitors Rp-8-Br-cGMPS war das nozizeptive Verhalten von PKG-I(+/+)-Mäusen von dem von PKG-I –/–-Mäusen nicht zu unterscheiden. Im Gegensatz dazu verursachte der PKG-Aktivator 8-Br-cGMP (250 nmol intrathekal) nur bei PKG-I(+/+) mechanische Allodynie (IF-Anm. Mäuse, was darauf hinweist, dass die Anwesenheit von PKG-I für diesen Effekt essentiell ist. Immunfluoreszenzuntersuchungen des Rückenmarks zeigen weitere morphologische Unterschiede. Im Hinterhorn von 3 bis 4 Wochen alten PKG-I -/- Mäusen sind die Blättchen I-III kleiner und enthalten weniger Neuronen als die Kontrollen. Außerdem wird die Dichte an Substanz P-positiven Neuronen und Fasern deutlich reduziert. Der Mangel an Substanz P in den Schichten I-III kann zur Reduktion der Nozizeption bei PKG-I -/- Mäusen beitragen und legt eine Rolle von PKG-I bei der Synthese von Substanz P nahe (Tegeder, 2004).

Regulation der cGMP-abhängigen Proteinkinase-Expression durch lösliche Guanylylcyclase

Vaskuläre glatte Muskelzellen (VSMC) unterliegen vielen phänotypischen Veränderungen, wenn sie in Kultur gegeben werden. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Expressionsniveaus der löslichen Guanylylcyclase (sGC) oder der cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG) in kultivierten VSMC verändert sind. In dieser Studie wurden die Mechanismen untersucht, die an der koordinierten Expression von sGC und PKG beteiligt sind. Pro-inflammatorische Zytokine, die die Expression der NO-Synthase Typ II (induzierbare NO-Synthase oder iNOS) erhöhen, verringerten die PKG-Expression in frisch isolierten, nicht passagierten Rinderaorten-SMC. In mehreren passagierten VSMC-Linien (d. h. Rinder-Aorten-SMC, Human-Aorten-SMC und A7r5-Zellen) wurde die PKG-Proteinexpression jedoch nicht durch Zytokine oder NO unterdrückt. sGC wurde in nicht passagierten Rinderaorten-SMC stark exprimiert, jedoch nicht in passagierten Zelllinien. Die Wiederherstellung der Expression von sGC in passagierten Rinder-SMC unter Verwendung von Adenovirus, das die a1- und b1-Untereinheiten von sGC codiert, stellte die Fähigkeit der Zellen wieder her, cGMP als Reaktion auf NO zu erhöhen. Darüber hinaus führt die Behandlung dieser sGC-transduzierten Zellen mit NO-Donoren für 48 Stunden zu einer verringerten PKG-Proteinexpression. Im Gegensatz dazu exprimierten passagierte Rattenaorten-SMC hohe Konzentrationen an NO-reaktiver sGC, zeigten jedoch eine reduzierte Expression von PKG. Die Adenovirus-vermittelte Expression der katalytisch aktiven PKG-Domäne in Rattenaorten-SMC verursachte eine Verringerung der Expression von sGC in diesen Zellen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass es einen Mechanismus für die koordinierte Expression von sGC und PKG in VSMC gibt und dass eine verlängerte Aktivierung von sGC die PKG-Expression herunterreguliert. Ebenso scheint der Verlust der PKG-Expression die sGC-Expression zu erhöhen. Diese Effekte können ein adaptiver Mechanismus sein, der das Wachstum und das Überleben von VSMC in vitro ermöglicht (Browner, 2004).

Circadiane uhrgesteuerte Regulation der cGMP-Proteinkinase G

Die zirkadiane Uhr des suprachiasmatischen Kerns (SCN) weist eine wiederkehrende Reihe dynamischer zellulärer Zustände auf, die durch die Fähigkeit exogener Signale gekennzeichnet sind, definierte Kinasen zu aktivieren, die die Uhrzeit verändern. Um potenzielle Beziehungen zwischen der Kinaseaktivierung durch exogene Signale und endogenen Kontrollmechanismen zu untersuchen, wurde die uhrgesteuerte Proteinkinase G (PKG)-Regulation im SCN von Säugetieren untersucht. Die Signalübertragung über den cGMP-PKG-Weg ist für den durch Licht oder Glutamat (GLU) induzierten Phasenvorschub in der späten Nacht erforderlich. Eine spontane cGMP-PKG-Aktivierung erfolgt am Ende der subjektiven Nacht in freilaufendem SCN in vitro. Die In-vitro-Phase des SCN-Rhythmus wird um etwa 3 Stunden nach der Behandlung mit Guanylylcyclase (GC)-Inhibitoren, PKG-Hemmung oder Antisense-Oligodesoxynukleotid (alphaODN) verzögert, die für PKG spezifisch sind, jedoch nicht mit PKA-Inhibitoren oder fehlgepaarten ODN. Diese Sensitivität gegenüber der GC-PKG-Hemmung war auf das gleiche 2-Stunden-Zeitfenster begrenzt, das durch die uhrgesteuerte Aktivierung von cGMP-PKG abgegrenzt wurde. Die Hemmung des cGMP-PKG-Signalwegs zu diesem Zeitpunkt verursachte Verzögerungen in der Phaseneinstellung von vier endogenen Rhythmen: Radlaufaktivität, neuronale Aktivität, cGMP und Per1. Das Timing des cGMP-PKG-notwendigen Fensters hängt sowohl bei der Ratte als auch bei der Maus von der Taktphase ab, die eher durch den vorausgehenden Hell-Dunkel-Zyklus als durch die Sonnenzeit bestimmt wird. Da Verhaltens-, neurophysiologische, biochemische und molekulare Rhythmen die gleichen zeitlichen Empfindlichkeiten und qualitativen Reaktionen zeigen, wird vorhergesagt, dass die uhrregulierte GC-cGMP-PKG-Aktivierung einen notwendigen Hinweis auf den Uhrzustand am Ende der nächtlichen Domäne liefern kann. Da die Empfindlichkeit gegenüber Phasenfortschritt durch Licht-GLU-aktivierte GC-cGMP-PKG in Nebeneinanderstellung auftritt, können diese Signale eine vorzeitige Verschiebung in diesen PKG-notwendigen Taktzustand induzieren (Tischkau, 2003).

Circadiane Uhren umfassen eine zyklische Reihe dynamischer zellulärer Zustände, die durch die wechselnde Verfügbarkeit von Substraten gekennzeichnet sind, die bei Aktivierung die Uhrzeit ändern. Um zu bestimmen, ob zirkadiane Uhren, wie der Zellzyklus, eine Regulation durch wichtige Phosphorylierungsereignisse aufweisen, wurde die endogene Kinase-Regulation der Zeitmessung im suprachiasmatischen Nukleus (SCN) von Säugetieren untersucht. Kurzfristige Hemmung von PKG-II, aber nicht von PKG-Ibeta unter Verwendung von Antisense-Oligodesoxynukleotiden verzögerte Rhythmen der elektrischen Aktivität und Bmal1-mRNA. Die Phasenrücksetzung war eine schnelle und dynamische Hemmung der PKG-II-erzwungenen Wiederholung der letzten 3,5 Stunden des Zyklus. Die chronische Hemmung von PKG-II störte den elektrischen Aktivitätsrhythmus und erhöhte tonisch die Bmal1-mRNA. Eine PKG-II-ähnliche Immunreaktivität wurde nach Coimmunpräzipitation mit CLOCK nachgewiesen, und CLOCK wird in Gegenwart von aktivem PKG-II phosphoryliert. Die PKG-II-Aktivierung kann einen kritischen Kontrollpunkt für die zeitliche Progression in die Tagesdomäne definieren, indem sie auf den positiven Arm der transkriptionalen/translationalen Rückkopplungsschleife einwirkt (Tischkau, 2004).

PKG zielt auf Kanäle und Rezeptoren ab

Native große Leitfähigkeits-, spannungsabhängige und Ca2+-sensitive K+-Kanäle werden durch cGMP-abhängige Proteinkinase aktiviert. Zwei mögliche Mechanismen der Kinasewirkung wurden vorgeschlagen: (1) direkte Phosphorylierung des Kanals und (2) indirekt über PKG-abhängige Aktivierung einer Phosphatase. Um die erste Möglichkeit auf molekularer Ebene zu untersuchen, wurden die humane porenbildende Alpha-Untereinheit des Ca2+-sensitiven K+-Kanals, Hslo, und die Alpha-Isoform der cGMP-abhängigen Proteinkinase I verwendet. In zellgebundenen Flecken von Oozyten, die den Hslo-Kanal und die Kinase co-exprimieren, erhöhte 8-Br-cGMP die makroskopischen Ströme signifikant. Diese Stromzunahme war auf eine Erhöhung der Kanalspannungsempfindlichkeit um ungefähr 20 mV zurückzuführen und wurde durch Behandlung mit alkalischer Phosphatase nach Entfernung des Pflasters rückgängig gemacht. Bei Inside-Out-Pflastern war die Wirkung der gereinigten Kinase jedoch bei 12 von 13 Pflastern negativ. Im Gegensatz dazu und in Übereinstimmung mit den Experimenten mit intakten Zellen erhöhte gereinigte Kinase, die auf die zytoplasmatische Seite von rekonstituierten Kanälen aufgetragen wurde, deren Öffnungswahrscheinlichkeit. Diese stimulierende Wirkung fehlte, wenn hitzedenaturierte Kinase verwendet wurde. Biochemische Experimente zeigen, dass die gereinigte Kinase Gamma-33P in die immungereinigte Hslo-Bande von ungefähr 125 kDa einbaut. Darüber hinaus schwächt die in vivo-Phosphorylierung diese Markierung in Rückphosphorylierungsexperimenten stark ab. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Alpha-Untereinheit von Ca2+-empfindlichen K+-Kanälen mit großer Leitfähigkeit ein Substrat für die G-Ialpha-Kinase in vivo ist und die direkte Phosphorylierung als Mechanismus für die PKG-Ialpha-induzierte Aktivierung von Maxi-K-Kanälen unterstützt (Alioua, 1998).

Es wird angenommen, dass Stickstoffmonoxid (NO) eine wesentliche Rolle bei der neuronalen Verarbeitung spielt, aber die nachgeschalteten Mechanismen seiner Wirkung sind noch unklar. NO-Analoga reduzieren GABA-gesteuerte Ströme in kultivierten retinalen Amakrinzellen über zwei verschiedene, aber konvergente, cGMP-abhängige Wege. Entweder die extrazelluläre Applikation des NO-Mimetikums S-Nitroso-N-acetyl-penicillamin (SNAP) oder die intrazelluläre Perfusion mit cGMP unterdrückt GABA-Ströme. Diese Depression wird teilweise durch einen Pseudosubstrat-Peptid-Inhibitor der cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG) blockiert, was sowohl auf PKG-abhängige als auch unabhängige Wirkungen von cGMP hindeutet. cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) ist dafür bekannt, retinale GABA-Reaktionen zu verstärken. Das membrandurchlässige 8-Brominosin 3',5'-zyklische Monophosphat (8Br-cIMP), das eine Art cGMP-stimulierte Phosphodiesterase aktiviert, die cAMP hydrolysiert, reduziert ebenfalls signifikant GABA-Ströme. 1-Methyl-3-isobutylxanthin (IBMX), ein unspezifischer Phosphodiesterase (PDE)-Inhibitor, blockiert sowohl die Wirkung von 8Br-cIMP als auch den Teil der SNAP-induzierten Depression, der nicht durch die PKG-Hemmung blockiert wird. Diese Ergebnisse legen nahe, dass NO die retinale GABAA-Rezeptorfunktion durch gleichzeitiges Hochregulieren von PKG und Herunterregulieren von PKA unterdrückt (Wexler, 1998).

Eine kürzlich klonierte Isoform der cGMP-abhängigen Proteinkinase (cGK), die als Typ II bezeichnet wird, wurde als Mediator der cGMP-induzierten intestinalen Cl – -Sekretion in Verbindung gebracht, basierend auf der cGK-Lokalisierung in der apikalen Membran von Enterozyten und der cGK-Aktivierungsfähigkeit Cystische Fibrose-Transmembran-Leitfähigkeitsregulator (CFTR) Cl – -Kanäle. Im Gegensatz dazu ist das lösliche cGK vom Typ I nicht in der Lage, CFTR in intakten Zellen zu aktivieren, obwohl sowohl cGK I als auch cGK II CFTR in vitro phosphorylieren können. Um die molekulare Grundlage für die cGK II-Isotypspezifität des CFTR-Kanal-Gatings zu untersuchen, wurden cGK II- oder cGK I-mutierte Proteinvarianten mit unterschiedlichen Membranbindungseigenschaften unter Verwendung von adenoviralen Vektoren in einer CFTR-transfizierten Darmzelllinie exprimiert und die Fähigkeit von cGMP zur Phosphorylierung und Aktivierung des Cl – -Kanals wurde untersucht. Die Mutation der N-terminalen Myristoylierungsstelle von cGK II (Gly2 --> Ala) reduzierte die cGK II-Membranbindung und beeinträchtigte die cGK II-Aktivierung von CFTR stark. Umgekehrt erwarb ein chimäres Protein, in dem die N-terminale Membranverankerungsdomäne von cGK II an den N-Terminus von cGK Ibeta fusioniert war, die Fähigkeit, mit der Membran zu assoziieren und den CFTR Cl – -Kanal zu aktivieren. Die Potenzreihenfolge von cGK-Konstrukten für die Aktivierung von CFTR (cGK II > membrangebundene cGK I-Chimäre > > nicht myristoyliertes cGK II > cGK Ibeta) korrelierte mit dem Ausmaß des 32 P-Einbaus in CFTR, das in parallelen Messungen beobachtet wurde. Diese Ergebnisse unterstützen stark das Konzept, dass das Membran-Targeting von cGK eine Hauptdeterminante der CFTR-Cl – -Kanalaktivierung in intakten Zellen ist (Vaandrager, 1998).

Canonical Transient Rezeptor Potential (TRPC)-Kanäle sind Ca2+-durchlässige nichtselektive Kationenkanäle, die in zahlreichen Zelltypen weit verbreitet exprimiert werden. Sieben verschiedene Mitglieder von TRPC-Kanälen wurden isoliert. Die Aktivität dieser Kanäle wird durch den Füllzustand der intrazellulären Ca2+-Speicher und/oder Diacylglycerin und/oder Ca2+/Calmodulin reguliert. Es gibt jedoch keine Hinweise darauf, ob TRPC-Kanäle durch direkte Phosphorylierung an den Kanälen reguliert werden. In der vorliegenden Studie wurde das TRPC-Isoform-3-Gen (TRPC3) in HEK293-Zellen überexprimiert, die stabil mit Proteinkinase G (PKG) transfiziert wurden. Das überexprimierte TRPC3 vermittelt den speichergesteuerten Ca2+-Einstrom und dieser Typ des Ca2+-Einstroms wird durch cGMP gehemmt. Die hemmende Wirkung von cGMP wurde durch KT5823 oder H8 aufgehoben. Punktmutationen an zwei Konsensus-PKG-Phosphorylierungsstellen (T11A und S263Q) des TRPC3-Kanals reduzierten die inhibitorische Wirkung von cGMP deutlich. Darüber hinaus wurden TRPC3-Proteine ​​aus HEK293-Zellen gereinigt, die entweder mit Wildtyp- oder mutierten TRPC3-Konstrukten transfiziert wurden, und ein in vitro-PKG-Phosphorylierungsassay wurde durchgeführt. Es wurde gefunden, dass Wildtyp-TRPC3 direkt durch PKG in vitro phosphoryliert werden konnte und dass die Phosphorylierung in Gegenwart von KT5823 aufgehoben wurde. Das Phosphorylierungssignal war im mutierten Protein T11A oder S263Q stark reduziert. Zusammengefasst können TRPC3-Kanäle direkt durch PKG an Position T11 und S263 phosphoryliert werden, und diese Phosphorylierung beseitigt den durch TRPC3-Kanäle vermittelten speichergesteuerten Ca2+-Einstrom in HEK293-Zellen (Kwan, 2004).

Stickstoffmonoxid vermittelt lokal aktivitätsabhängige exzitatorische Synapsenentwicklung

Lernbezogene Paradigmen spielen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Entwicklung und Spezifität synaptischer Netzwerke, insbesondere durch die Regulierung der Mechanismen des Wirbelsäulenwachstums und des Beschneidens.Die molekularen Ereignisse, die diesen synaptischen Umlagerungen zugrunde liegen, sind noch wenig verstanden. In dieser an Mäusen durchgeführten Studie wurde die NO-Signalgebung als Schlüsselmediator der aktivitätsabhängigen exzitatorischen Synapsenentwicklung identifiziert. Eine chronische Blockade der NO-Produktion in vitro und in vivo stört die Entwicklung von hippocampalen und kortikalen exzitatorischen Spine-Synapsen. Der Effekt resultiert aus einem selektiven Verlust von aktivitätsvermittelten Wachstumsmechanismen der Wirbelsäule und ist mit morphologischen und funktionellen Veränderungen der verbleibenden Synapsen verbunden. Diese Wirkungen von NO werden durch eine cGMP-Kaskade vermittelt und können durch postsynaptische Expression von Vasodilatator-stimulierten Phosphoprotein-Phospho-Mimetika oder Phospho-resistenten Mutanten reproduziert oder verhindert werden. In-vivo-Analysen zeigen, dass das Fehlen von NO den Anstieg der exzitatorischen Synapsendichte durch die Anreicherung der Umgebung verhindert und die Bildung lokaler Cluster von exzitatorischen Synapsen stört. Daraus wird geschlossen, dass NO eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Entwicklung von exzitatorischen Synapsen spielt, indem es lokale aktivitätsabhängige Wachstumsmechanismen der Wirbelsäule fördert (Nikonenko, 2013).

Zusätzliche zytoplasmatische Aktivitäten von PKG

Zyklisch-GMP-abhängige Proteinkinase (PKG) wird allgemein als unterschiedliche Rollen in einer Vielzahl von Zelltypen anerkannt. Viele Berichte haben darauf hingewiesen, dass PKG die Zellfunktion durch die Aktivierung von Mitgliedern der Mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK)-Familie von Signalproteinen regulieren könnte. Es wurde festgestellt, dass die Stimulation von HEK-293-Zellen mit Stickstoffmonoxid (NO) eine schnelle Akkumulation von phosphoryliertem p38 MAPK induziert. Die Beteiligung von PKG an diesem Prozess wurde durch Cotransfektion eines dominant negativen PKG-Konstrukts (G1alphaR-GFP) bestätigt, das in der Lage war, die cGMP-induzierte p38-MAPK-Aktivierung zu blockieren. Die Transfektion von Zellen, um dominant negatives Rac1(T17N) zu exprimieren, ist auch in der Lage, die cGMP-stimulierte Aktivierung von p38 MAPK dosisabhängig zu blockieren, was die Bedeutung dieses Weges stromabwärts von PKG anzeigt. GST-PDB-Affinitätspräzipitationsexperimente haben gezeigt, dass die Stimulation von HEK293-Zellen mit Stickstoffmonoxid oder 8-Br-cGMP zu einer schnellen und vorübergehenden Aktivierung von Rac1 mit einer ähnlichen Kinetik wie der p38-MAPK-Phosphorylierung führt. Darüber hinaus wurde unter Verwendung von in vitro-Kinase-Assays festgestellt, dass cGMP auch die Aktivität des Rac1-Effektors Pak1 stimuliert. Die Aktivierung von Rac1 und Pak1 durch 8-Br-cGMP wird durch Transfektion der Zellen mit G1alphaR-GFP vollständig aufgehoben. Die Expression der Rac1(T17N)-Mutante hemmt die PKG-abhängige Aktivierung von PAK1, was darauf hindeutet, dass Rac1 in diesem Weg stromaufwärts von PAK1 funktioniert. Immunfluoreszenzexperimente zeigen eine deutliche Kolokalisation von PKG und Rac1 in Membranrüschen und dynamischen Membranregionen, was eine funktionelle Interaktion unterstützt. In-vitro-Kinase-Assays zeigen jedoch, dass Rac1 kein Substrat für PKG ist, was auf einen indirekten Aktivierungsmechanismus hindeutet. Zusammengenommen zeigen diese Daten einen neuen PKG-abhängigen Weg, durch den der Rac1/Pak1-Weg aktiviert wird. Darüber hinaus ist dieser Weg von zentraler Bedeutung für die Aktivierung von p38 MAPK durch PKG in diesen Zellen (Hou, 2004).

Agrin, das durch Stickstoffmonoxid wirkt, induziert die Bildung von AChR-Aggregaten auf Myotuben in Kultur. Lösliche Guanylylzyklase (sGC), die an der neuromuskulären Verbindung vorhanden ist, ist ein häufiges Ziel von NO. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass sGC und cGMP an der Agrin-Signalkaskade beteiligt sind. Die Hemmung von sGC behindert die AChR-Aggregation sowohl in mit Agrin als auch NO-Donor behandelten kultivierten Myotubes, wohingegen ein cGMP-Analogon in der Lage ist, die Bildung von AChR-Aggregaten auf naiven Muskelzellen zu induzieren. Aufgrund der Anwesenheit von zyklischer GMP-abhängiger Proteinkinase (PKG) an der neuromuskulären Verbindung wurde die Fähigkeit eines PKG-Inhibitors getestet, die Agrin-Signalkaskade zu verändern. Die PKG-Hemmung verhindert nicht die entstehende AChR-Aggregatbildung, jedoch waren diese Aggregate diffus und bestanden aus zahlreichen Mikroaggregaten, die mit einer unvollständigen Reifung übereinstimmen. Daraus wird geschlossen, dass cGMP für die Initiation der AChR-Aggregation wichtig ist, während PKG an der Reifung von AChR-Aggregaten beteiligt ist (Jones, 2004).

Die Blutplättchensekretion (Exozytose) ist entscheidend bei der Verstärkung der Blutplättchenaktivierung, der Stabilisierung des Thrombus und bei der Arteriosklerose und dem Gefäßumbau. Die zur Sekretion führenden Signalmechanismen sind nicht genau definiert. PKG spielt eine stimulierende Rolle bei der Thrombozytenaktivierung über den Glykoprotein Ib-IX-Weg. PKG spielt auch eine wichtige stimulierende Rolle bei der Vermittlung der aggregationsabhängigen Blutplättchensekretion und der sekretionsabhängigen Thrombozytenaggregation der zweiten Welle, insbesondere derjenigen, die über Gq-gekoppelte Agonistenrezeptoren, den Thromboxan A2 (TXA2) Rezeptor und Protease-aktivierte Rezeptoren (PAR) induziert werden. PKG-I-Knockout-Maus-Blutplättchen und mit PKG-Inhibitor behandelte menschliche Blutplättchen zeigen eine verminderte aggregationsabhängige Sekretion und zeigen auch eine verminderte Sekundärwelle der Blutplättchen-Aggregation, die durch ein TXA2-Analogon und Thrombinrezeptor-aktivierende Peptide induziert wird, die durch den Körnchengehalt ADP gerettet werden. Die kollageninduzierte Blutplättchensekretion und -aggregation in niedriger Dosis wird auch durch PKG-Inhibitoren reduziert. Darüber hinaus schwächen PKG I-Knockout und PKG-Inhibitoren die Aktivierung des Gi-Signalwegs, die durch sekretiertes ADP vermittelt wird, signifikant ab. Diese Daten enthüllen einen neuen PKG-abhängigen Blutplättchensekretionsweg und einen Mechanismus, durch den PKG die Blutplättchenaktivierung fördert (Li, 2004).

Zyklische GMP-abhängige Proteinkinase I (PKGI) vermittelt die Gefäßrelaxation durch Stickstoffmonoxid und verwandte Nitrovasodilatatoren und hemmt die Migration der glatten Gefäßmuskelzellen (VSMC). Um VSMC-Proteine ​​zu identifizieren, die mit PKGI interagieren, wurde die N-terminale Protein-Interaktionsdomäne von PKGIalpha verwendet, um eine Hefe-Zwei-Hybrid-Human-Aorten-cDNA-Bibliothek zu screenen. Es wurde gefunden, dass das Formin-Homologie-(FH)-Domäne-enthaltende Protein, FHOD1, in diesem Screen mit PKGIalpha interagiert. FH-Domänen enthaltende Proteine ​​binden GTPasen der Rho-Familie und regulieren die Aktin-Zytoskelettdynamik, Zellmigration und Genexpression. Antiseren gegen FHOD1 wurden erzeugt und verwendet, um die Expression und Verteilung von FHOD1 in Gefäßzellen zu charakterisieren. FHOD1 wird in menschlichen Koronararterien, glatten Muskelzellen der Aorta und in menschlichen arteriellen und venösen Endothelzellen stark exprimiert. In Glutathion-S-Transferase-Pulldown-Experimenten bindet der FHOD1 C-Terminus (Aminosäuren 964-1165) Volllängen-PKGI. Sowohl in vitro- als auch intakte Zellstudien zeigen, dass die Interaktion zwischen FHOD1 und PKGI in Gegenwart des membranpermiablen PKG-Aktivators 8Br-cGMP um das 3- bis 5-Fache verringert ist. Immunfluoreszenzstudien von humanen VSMC zeigen, dass FHOD1 zytoplasmatisch ist und in der perinukleären Region konzentriert ist. PKGI phosphoryliert FHOD1 auch direkt, und Studien mit Wildtyp- und mutierten FHOD1-abgeleiteten Peptiden identifizieren Ser-1131 am FHOD1 C-Terminus als die einzigartige PKGI-Phosphorylierungsstelle in FHOD1. Diese Studien zeigen, dass FHOD1 ein mit PKGI interagierendes Protein und Substrat in VSMCs ist und zeigen, dass zyklisches GMP die FHOD1-PKGI-Interaktion negativ reguliert. Basierend auf den bekannten Funktionen von FHOD1 stimmen die Daten mit einer Rolle von FHOD1 bei der zyklischen GMP-abhängigen Hemmung der VSMC-Stressfaserbildung und/oder -migration überein (Y. Wang, 2004).

Transkriptionsregulation nach PKG . induziert

Stickstoffmonoxid (NO) reguliert die Expression mehrerer Gene, aber in den meisten Fällen ist der genaue Wirkmechanismus unklar. Babyhamster-Nieren (BHK)-Zellen, die eine sehr niedrige lösliche Guanylatzyklase- und cGMP-abhängige Proteinkinase (G-Kinase)-Aktivität aufweisen, und CS-54-arterielle glatte Muskelzellen, die diese beiden Enzyme exprimieren, wurden verwendet, um die NO-Regulation von . zu untersuchen der menschliche fos-Promotor. Der NO-freisetzende Wirkstoff Deta-NONOate [Ethanamin-2,2'-(hydroxynitrosohydrazon)bis-] hat keine Wirkung auf ein Chloramphenicolacetyltransferase (CAT)-Reportergen unter der Kontrolle des fos-Promotors in BHK-Zellen, die mit einem leeren Vektor oder in . transfiziert sind Zellen, die mit einem G-Kinase-Ibeta-Expressionsvektor transfiziert wurden. In BHK-Zellen, die mit Expressionsvektoren für Guanylatzyklase transfiziert wurden, erhöht Deta-NONOat die intrazelluläre cGMP-Konzentration deutlich und verursacht einen kleinen (2-fachen) Anstieg der CAT-Aktivität. Die erhöhte CAT-Aktivität scheint von der cGMP-Aktivierung der cAMP-abhängigen Proteinkinase zu stammen. In BHK-Zellen, die mit Guanylatzyklase- und G-Kinase-Expressionsvektoren cotransfiziert wurden, war die CAT-Aktivität in Abwesenheit von Deta-NONOat um das 5-fache und in Gegenwart von Deta-NONOat um das 7-fache erhöht. Die Stimulation der CAT-Aktivität in Abwesenheit von Deta-NONOat scheint größtenteils von endogenem NO zu erfolgen, da festgestellt wurde, dass: (1) BHK-Zellen große Mengen an NO produzierten (2) die CAT-Aktivität teilweise durch einen NO-Synthase-Inhibitor gehemmt wurde und (3 ) wird die Hemmung durch den NO-Synthase-Inhibitor durch exogenes NO rückgängig gemacht. In CS-54-Zellen wurde festgestellt, dass NO die Aktivität des Fos-Promotors erhöht, und der Anstieg wurde durch einen Guanylatzyklase-Inhibitor verhindert. Zusammenfassend wurde gefunden, dass NO den fos-Promotor durch einen Guanylatcyclase- und G-Kinase-abhängigen Mechanismus aktiviert (Idriss, 1999).

Eine transkriptionelle Regulation des fos-Promotors durch Stickstoffmonoxid und cGMP kann durch nukleäre Translokation von cGMP-abhängiger Proteinkinase I erfolgen. Um nukleäre Ziele der G-Kinase I zu identifizieren, wurde ein Hefe-Zwei-Hybrid-Screen mit G-Kinase I beta als Köder durchgeführt . Es wurde festgestellt, dass G-Kinase I beta spezifisch mit TFII-I interagiert, einem ungewöhnlichen Transkriptionsregulator, der mit mehreren Proteinen assoziiert, um sowohl die basale als auch die signalinduzierte Transkription zu modulieren. Unter Verwendung gereinigter rekombinanter Proteine ​​wurde die Interaktion auf die N-terminalen 93 Aminosäuren von G-Kinase I beta und eine von sechs 95-Aminosäure-Wiederholungen, die in TFII-I gefunden wurden, kartiert. In Babyhamster-Nierenzellen verstärkten cGMP-Analoga die Co-Immunpräzipitation von G-Kinase I beta und TFII-I, indem sie die Co-Lokalisierung beider Proteine ​​im Zellkern induzierten, aber in anderen Zelltypen, die zytoplasmatisches TFII-I enthalten, die G-Kinase- Die TFII-I-Interaktion war weitgehend cGMP-unabhängig. G-Kinase phosphoryliert TFII-I in vitro und in vivo an Ser(371) und Ser(743) außerhalb der Interaktionsdomäne. G-Kinase verstärkt stark die TFII-I-Transaktivierung eines Serum-Antwort-Element enthaltenden Promotors in COS7-Zellen, und dieser Effekt geht verloren, wenn Ser(371) und Ser(743) von TFII-I mutiert werden. TFII-I selbst hat eine geringe Wirkung auf einen Fos-Promotor voller Länge in Nierenzellen von Babyhamstern, aber es verstärkt synergistisch die transkriptionelle Aktivierung durch G-Kinase I beta. Die Bindung von G-Kinase an TFII-I kann die Kinase so positionieren, dass sie TFII-I und/oder Faktoren, die mit TFII-I am Serum-Antwort-Element interagieren, phosphoryliert und reguliert (Casteel, 2002).

Die Aktivierung der arteriellen Barorezeptoren induziert die Expression des Proto-Onkogens c-fos im Nucleus tractus solitarii (NTS), der terminalen Stelle der Barorezeptor-Afferenzen in der Medulla oblongata. Diese induzierte Expression ist ein intrazelluläres Ereignis, das für die langfristige Aufrechterhaltung eines stabilen Blutdrucks entscheidend ist. Unter Verwendung von Sprague-Dawley-Ratten, die unter Propofol-Narkose gehalten wurden, wurde die Rolle von Stickstoffmonoxid (NO) in diesem Prozess bewertet. Die Barorezeptoraktivierung, die durch 30-minütige anhaltende Hypertonie induziert wurde, erhöhte signifikant und sequentiell den Spiegel der zyklischen GMP-abhängigen Proteinkinase I (PKG-I), des phosphorylierten zyklischen AMP-Antwortelement-Bindungsproteins (pCREB), der c-fos-mRNA und des Fos-Proteins in der NTS. Alle diese hochregulierten Expressionen wurden in Tieren signifikant abgeschwächt, die unmittelbar vor der Barorezeptoraktivierung mit bilateraler Mikroinjektion in das NTS eines selektiven neuronalen Stickoxidsynthase (nNOS)-Inhibitors oder eines löslichen Guanylylcyclase (sGC)-Inhibitors vorbehandelt wurden. Bilaterale NTS-Mikroinjektion eines zelldurchlässigen cGMP-Analogons erhöhte den Spiegel von pCREB- oder c-fos-mRNA im NTS signifikant. Im Gegensatz dazu wird die hochregulierte CREB-Phosphorylierung oder c-fos-Induktion, die im dorsomedialen Medulla durch Barorezeptoraktivierung hervorgerufen wird, durch NTS-Applikation eines zelldurchlässigen cGMP-Antagonisten oder eines PKG-Inhibitors signifikant antagonisiert. Daraus wird geschlossen, dass NO, das von nNOS im NTS bei Barorezeptoraktivierung abgeleitet ist, an der c-fos-Expression über die Phosphorylierung von CREB in einem Prozess beteiligt sein kann, der die sGC/cGMP/PKG-I-Signalkaskade in Gang setzt (Chan, 2004).

Der Transkriptionsfaktor NFAT (nuklearer Faktor aktivierter T-Zellen) ist an der Herzhypertrophie und Vaskulogenese beteiligt. Es wird allgemein angenommen, dass die NFAT-Aktivierung, die die Dephosphorylierung durch die Calcium-abhängige Phosphatase, Calcineurin und die nachfolgende Kernlokalisation widerspiegelt, einen anhaltenden Anstieg des intrazellulären Calciums erfordert. In glatter Muskulatur wurde jedoch festgestellt, dass eine Erhöhung von Calcium durch Membrandepolarisation keine Zunahme der Kernlokalisation der NFATc3-Isoform induziert. Der physiologische intravaskuläre Druck (100 mm Hg) induziert eine Zunahme der NFATc3-Kernlokalisation in den Hirnarterien der Maus. Druckinduzierte NFATc3-Kernakkumulation wird durch endotheliale Denudation und durch Stickoxid-Synthase, cGMP-abhängige Kinase (PKG) und spannungsabhängige Calciumkanal-Hemmung aufgehoben. Es wurde gezeigt, dass exogenes Stickstoffmonoxid in Kombination mit einer Erhöhung des Calciumspiegels ein wirksamer Stimulus für die nukleare Akkumulation von NFATc3 ist. Die Aktivität der terminalen c-Jun-Kinase 2 (JNK), die nachweislich den NFATc3-Kernexport reguliert, wird ebenfalls durch Druck reduziert, ein Effekt, der durch eine Vorbehandlung mit einem PKG-Inhibitor verhindert wird. In Übereinstimmung damit ist die druckinduzierte NFATc3-Kernakkumulation unabhängig von PKG in Arterien von JNK2 –/– -Mäusen. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass sowohl die Aktivierung des NO/PKG-Weges als auch die Erhöhung des Kalziums der glatten Muskulatur für die nukleare Akkumulation von NFATc3 erforderlich sind und dass PKG JNK2 hemmt, um den NFAT-Kernexport zu verringern. Diese Ergebnisse legen nahe, dass NFATc3 bei physiologischen intravaskulären Drücken im Zellkern in glatten Muskelzellen intakter Arterien lokalisiert ist und weisen auf eine neue und unerwartete Rolle von Stickstoffmonoxid/PKG bei der NFAT-Aktivierung hin (Gonzalez Bosc, 2004).

Die Transkription von Thrombospondin 1 (TSP1) wird durch Glucose stimuliert, was zu einer erhöhten TGF-beta-Aktivierung und Matrixproteinsynthese führt. Die induzierbare Expression der katalytischen Domäne der cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG) hemmt die Glucose-regulierte TSP1-Transkription und die beta-Aktivität des transformierenden Wachstumsfaktors (TGF) in stabil transfizierten Ratten-Mesangialzellen. Die molekularen Mechanismen, durch die PKG die Glucose-regulierte TSP1-Transkription unterdrückt, sind jedoch unbekannt. Unter Verwendung eines Luciferase-Promotor-Deletionsassays wurde eine einzelne Region des menschlichen TSP1-Promotors (-1172 bis -878, relativ zur Transkriptionsstartstelle) identifiziert, die auf Glucose anspricht. Eine weitere Charakterisierung dieser Region identifizierte eine 18-bp-Sequenz, die spezifisch nukleäre Proteine ​​aus Mesangialzellen bindet. Darüber hinaus wird die Bindung durch eine Behandlung mit hohem Glukosegehalt signifikant verstärkt und durch eine erhöhte PKG-Aktivität verringert. Gelmobilitäts-Shift- und Supershift-Assays zeigen, dass die nuklearen Proteine, die an die 18-bp-Sequenz binden, USF1 und -2 sind. USF1 und USF2 binden unter Verwendung eines Chromatin-Immunpräzipitationsassays an den endogenen TSP1-Promotor. Glucose stimuliert die Akkumulation von nuklearem USF2-Protein durch Proteinkinase C, p38 MAPK und extrazelluläre signalregulierte Kinasewege. Eine erhöhte PKG-Aktivität reguliert den USF2-Proteinspiegel und seine DNA-Bindungsaktivität unter Bedingungen mit hohem Glukosegehalt herunter, was zu einer Hemmung der Glukose-induzierten TSP1-Transkription und der TGF-beta-Aktivität führt. Die Überexpression von USF2 kehrte die hemmende Wirkung von PKG auf die Glucose-induzierte TSP1-Gentranskription und die TGF-beta-Aktivität um. Zusammengenommen stellen diese Daten den ersten Beweis dar, dass USF2 die Glucose-induzierte TSP1-Expression und die TSP1-abhängige TGF-beta-Bioaktivität in Mesangialzellen vermittelt, was darauf hindeutet, dass USF2 ein wichtiger Transkriptionsregulator von diabetischen Komplikationen ist (S. Wang, 2004).

PKG-Funktion in Neuronen

Die sekundären Botenstoffe cAMP und Inositol-1,4,5-triphosphat wurden bei verschiedenen Arten mit dem Geruchssinn in Verbindung gebracht. Die geruchsstoffinduzierte cGMP-Reaktion wurde mit Zilienpräparaten und olfaktorischen Primärkulturen untersucht. Geruchsstoffe bewirken eine verzögerte und anhaltende Erhöhung von cGMP. Eine Komponente dieser cGMP-Antwort ist auf die Aktivierung einer von zwei kinetisch unterschiedlichen Zilienrezeptor-Guanyylzyklasen durch Calcium und ein Guanyylzyklase-aktivierendes Protein (GCAP) zurückzuführen. Das so gebildete cGMP dient dazu, das cAMP-Signal in einer cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG)-Weise durch direkte Aktivierung der Adenylatcyclase zu verstärken. cAMP wiederum aktiviert die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA), um die Guanyylcyclase negativ zu regulieren, wodurch das cGMP-Signal begrenzt wird. Diese Daten zeigen die Existenz einer Regelschleife, in der cGMP ein cAMP-Signal verstärken kann und cAMP wiederum die cGMP-Produktion über PKA negativ reguliert. Somit kann eine kleine, lokalisierte, geruchsstoffinduzierte cAMP-Reaktion amplifiziert werden, um stromabwärts gelegene Transduktionsenzyme oder Transkriptionsereignisse zu modulieren (Moon, 1998).

Norepinephrin (NE) induziert eine anhaltende Potenzierung der Transmitterfreisetzung im Ziliarganglion von Hühnern durch einen Mechanismus, der sich pharmakologisch von allen bekannten adrenergen Rezeptoren unterscheidet. Die adrenerge Potenzierung der Transmitterfreisetzung wird durch einen Phosphodiesterase-Inhibitor, 3-Isobutyl-1-methylxanthin (IBMX) und durch Zaprinast, einen Inhibitor der cGMP-selektiven Phosphodiesterase, verstärkt. Die exogene Applikation des membranpermeablen cGMP, 8-Brom-cGMP (8Br-cGMP), potenziert die Freisetzung des Quantentransmitters und nach der Potenzierung ist die Zugabe von NE nicht mehr wirksam. Im Gegensatz dazu potenziert 8Br-cAMP weder die Transmitterfreisetzung noch blockiert es die NE-induzierte Potenzierung. Die NE-induzierte Potenzierung wird weder durch Stickoxid (NO)-Synthase-Inhibitor noch durch NO-Scavenger blockiert. Die Freisetzung des quantalen Transmitters wird durch NO-Donatoren, z. B. Natriumnitroprussid, nicht potenziert. Die NE-induzierte Potenzierung und ihre Verstärkung durch IBMX wird durch zwei Inhibitoren der Proteinkinase G (PKG) antagonisiert. Wie bei der NE-induzierten Potenzierung sind die Auswirkungen von 8Br-cGMP sowohl auf das ruhende intraterminale [Ca2+] ([Ca2+]i) als auch auf das aktionspotentialabhängige Inkrement von [Ca2+]i (DeltaCa) im präsynaptischen Terminal vernachlässigbar. Die Reduktion der Paired Pulse Ratio von EPSC steht im Einklang mit der Vorstellung, dass die NE- und cGMP-abhängige Potenzierung der Transmitterfreisetzung hauptsächlich auf eine Erhöhung der exocytotischen Fusionswahrscheinlichkeit zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass NE an einen neuen adrenergen Rezeptor bindet, der die Guanylylcyclase aktiviert, und dass die Akkumulation von cGMP PKG aktiviert, das ein Zielprotein phosphorylieren kann, das an der Exozytose synaptischer Vesikel beteiligt ist (Yawo, 1999).

Die Septine sind eine Familie von GTPase-Enzymen, die für die Zytokinese benötigt werden und eine Rolle bei der Exozytose spielen. Von den zehn Wirbeltierseptinen sind Sept5 (CDCrel-1) und Sept3 (G-Septin) hauptsächlich im Gehirn konzentriert, wobei Sept3 ein Substrat für PKG-I (cGMP-abhängige Proteinkinase-I) in Nervenenden ist. Es gibt zwei Motive für eine potentielle PKG-I-Phosphorylierung im 3. September, Thr-55 und Ser-91, aber die Phosphoaminosäureanalyse zeigte, dass die primäre Stelle ein Serin ist. Die Derivatisierung von Phosphoserin zu S-Propylcystein, gefolgt von einer N-terminalen Sequenzanalyse, zeigte Ser-91 als eine Hauptphosphorylierungsstelle. Tandem-MS zeigte eine einzelne Phosphorylierungsstelle bei Ser-91.Die Substitution von Ser-91 durch Ala in einem synthetischen Peptid hebt die Phosphorylierung auf. Die Mutation von Ser-91 zu Ala im rekombinanten Sept3 beseitigt auch die PKG-Phosphorylierung, was bestätigt, dass Ser-91 die Hauptstelle in vitro ist. Antikörper, die gegen ein Phospho-Ser-91 enthaltendes Peptid erzeugt wurden, weisen Phospho-Sept3 nur im Zytosol von Nervenendigungen nach, während Sept3 in einem peripheren Membranextrakt lokalisiert ist. Daher wird Sept3 an Ser-91 in Nervenendigungen phosphoryliert und seine Phosphorylierung kann zur Regulierung seiner subzellulären Lokalisation in Neuronen beitragen (Xue, 2004).

PKG beim Lernen und LTP

Mehrere Beweislinien deuten darauf hin, dass zyklisches GMP an der Langzeitpotenzierung (LTP) im Hippocampus beteiligt sein könnte. Arachidonsäure, Stickstoffmonoxid und Kohlenmonoxid, drei Moleküle, die als retrograde Botenstoffe bei LTP wirken sollen, aktivieren alle die lösliche Guanyylcyclase. Ein Inhibitor der Guanylylcyclase blockiert die Induktion von LTP in der CA1-Region von Hippocampus-Schnitten. Umgekehrt bewirken cGMP-Analoga eine lang anhaltende Verstärkung des exzitatorischen postsynaptischen Potentials, wenn sie gleichzeitig mit einer schwachen tetanischen Stimulation der präsynaptischen Fasern appliziert werden. Das Enhancement ist räumlich begrenzt, wird nicht durch Valeriansäure (APV), Nifedipin oder Picrotoxin blockiert und okkludiert teilweise LTP. Diese synaptische Verstärkung kann durch die cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) vermittelt werden. PKG-Inhibitoren blockieren die Induktion von LTP, und PKG-Aktivatoren erzeugen eine aktivitätsabhängige lang anhaltende Verstärkung. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Guanylylcyclase und PKG zu LTP beitragen, möglicherweise als aktivitätsabhängige präsynaptische Effektoren von retrograden Botenstoffen (Zhuo, 1994).

Hippocampus zyklisches GMP (cGMP) wurde kürzlich postuliert, dass es an einer frühen Phase der Gedächtniskonsolidierung eines inhibitorischen Vermeidungslernens bei Ratten beteiligt ist. Diese Studie berichtet über die Auswirkungen der intrahippocampalen Infusion eines löslichen Guanylylcyclase-Inhibitors (LY 83583) auf die Konsolidierung der Step-down-Hemmungsvermeidung in einer Studie und über die Wirkung dieser Aufgabe auf die cGMP-Spiegel im Hippocampus und die cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG ) Aktivität. Die bilaterale intrahippocampale Verabreichung von LY 83583 (2,5 Mikrogramm pro Seite) verursachte eine vollständige Amnesie zur Vermeidung von Hemmungen, wenn sie unmittelbar (0 min) nach dem Training verabreicht wurde, jedoch nicht 30 min nach dem Training. Ratten, die der inhibitorischen Vermeidungsaufgabe unterzogen wurden, zeigten 0 min nach dem Training einen signifikanten Anstieg sowohl der cGMP-Spiegel als auch der PKG-Aktivität im Hippocampus. 30 Minuten nach dem Training wurden keine Veränderungen beobachtet. Diese Ergebnisse liefern einen weiteren Beweis dafür, dass die hippocampale cGMP/PKG-Kaskade in den frühen Stadien der Gedächtnisbildung einer hemmenden Vermeidungsaufgabe bei Ratten beteiligt ist (Bernabeu, 1997).

Die Beteiligung des cGMP-Proteinkinase G (PKG) Signalwegs an der Induktion von Langzeitdepression (LTD) und Langzeitpotenzierung (LTP) wurde im medialen perforanten Pfad des Gyrus dentatus in vitro untersucht. Die durch Niederfrequenzstimulation (LFS) induzierte LTD von Feld-EPSPs wird durch Badperfusion eines selektiven löslichen Guanylylcyclase-Inhibitors ODQ gehemmt. Die LFS-induzierte LTD von EPSPs und Ganzzell-Patch-Clamped-EPSCs wird auch durch Badperfusion bzw. postsynaptische intrazelluläre Injektion des selektiven PKG-Inhibitors KT5823 blockiert. Die Erhöhung von intrazellulärem cGMP durch Perfusion des cGMP-Phosphodiesterase-Inhibitors Zaprinast führt zur Induktion von LTD von Feld-EPSPs und EPSCs. Okklusionsexperimente zeigen eine gegenseitige Hemmung zwischen LFS-induzierter LTD und Zaprinast-induzierter LTD. Die durch Zaprinast induzierte LTD von Feld-EPSPs wird durch die Perfusion von ODQ und KT5823 gehemmt. Darüber hinaus wird die durch Zaprinast induzierte LTD von EPSCs durch die postsynaptische Applikation von KT5823 gehemmt. Für die durch Zaprinast induzierte LTD ist eine Stimulation des Glutamatrezeptors, insbesondere der metabotropen Glutamatrezeptoren (mGluRs), erforderlich, da die Beendigung der Teststimulation oder Perfusion mit dem mGluR-Antagonisten MCPG die Zaprinast-induzierte LTD hemmt. Es wurde keine hemmende Wirkung von ODQ oder KT5823 auf die Induktion von LTP von EPSPs oder EPSCs gefunden. Diese Daten zeigen, dass der cGMP-Guanylycyclase-PKG-Signalweg im Gyrus dentatus für die Induktion von LTD, jedoch nicht von LTP, im Gyrus dentatus essentiell ist (Wu, 1998).

PKG und Sucht

Stickstoffmonoxid (NO) und das natriuretische Peptid vom C-Typ (CNP) üben ihre Wirkung auf das Gehirn über den cGMP-Signalweg aus. NO verursacht durch Aktivierung der löslichen Guanyylcyclase und CNP durch Stimulierung der membrangebundenen Guanylylcyclase einen intrazellulären Anstieg von cGMP, wodurch cGMP-abhängige Proteinkinasen (PKGs) aktiviert werden. Die Injektion von CNP in den ventralen tegmentalen Bereich der Ratte reduziert die durch Kokain induzierte egr-1-Expression im Nucleus accumbens in einer dosisabhängigen Weise stark. Die Wirkung von CNP wird durch die vorherige Injektion eines selektiven PKG-Inhibitors, KT5823, rückgängig gemacht. Die Aktivierung von PKG durch 8-Brom-cGMP reduziert wie CNP die Kokain-induzierte Gentranskription in dopaminergen Strukturen. Um die Beteiligung von PKG zu bestätigen, wurde diese entweder im Mesencephalon oder im Caudate-Putamen überexprimiert. Unter Verwendung des Polyethylenimin-Abgabesystems wurde ein aktives Protein durch Injektion eines Plasmidvektors exprimiert, der die humane PKG-Ialpha-cDNA enthielt. PKG wurde in dopaminergen und GABAergen Neuronen überexprimiert, wenn das Plasmid in den ventralen tegmentalen Bereich injiziert wurde, während eine Überexpression in mittelstacheligen GABAergen Neuronen und sowohl in cholinergen als auch GABAergen Interneuronen beobachtet wurde, wenn der PKG-Vektor in das Caudate-Putamen injiziert wurde. Die Aktivierung des überexprimierten PKG reduziert die durch Kokain induzierte egr-1-Expression in dopaminergen Strukturen und beeinflusst das Verhalten (d. h. die lokomotorische Aktivität). Diese Wirkungen wurden durch vorherige Injektion des selektiven PKG-Inhibitors wieder rückgängig gemacht. Die aktuellen Daten legen nahe, dass NO und das Neuropeptid CNP potenzielle Regulatoren kokainbedingter Auswirkungen auf das Verhalten sind (Jouvert, 2004).

Eine GluR1-cGKII-Interaktion reguliert den AMPA-Rezeptor-Traffic

Der Transport von AMPA-Rezeptoren (AMPARs) wird durch spezifische Interaktionen der intrazellulären C-terminalen Domänen (CTDs) der Untereinheit mit anderen Proteinen reguliert, aber die an diesem Prozess beteiligten Mechanismen sind noch unklar. Diese Studie ergab, dass die GluR1-CTD an die cGMP-abhängige Proteinkinase II (cGKII) neben dem katalytischen Zentrum der Kinase bindet. Die Bindung von GluR1 wird erhöht, wenn cGKII durch cGMP aktiviert wird. cGKII und GluR1 bilden einen Komplex im Gehirn, und cGKII in diesem Komplex phosphoryliert GluR1 an S845, einer Stelle, die auch von PKA phosphoryliert wird. Die Aktivierung von cGKII durch cGMP erhöht die Oberflächenexpression von AMPARs an extrasynaptischen Stellen. Die Hemmung der cGKII-Aktivität blockiert den Oberflächenanstieg von GluR1 während der chemLTP und reduziert die LTP in der Hippocampusscheibe. Diese Arbeit identifiziert einen Weg stromabwärts vom NMDA-Rezeptor (NMDAR) und Stickstoffmonoxid (NO), der die Ansammlung von GluR1 in der Plasmamembran stimuliert und eine wichtige Rolle bei der synaptischen Plastizität spielt (Serulle, 2007).

Die NMDAR-Stimulation aktiviert nNOS und die Produktion von NO, was zu einer cGMP-Produktion und einer cGKII-Aktivierung führt. Ein Hauptmechanismus für die Expression von NMDAR-abhängiger LTP beinhaltet die synaptische Insertion von GluR1. Diese Studie berichtet, dass cGKII nach Aktivierung durch den NMDAR an GluR1 bindet und S845 phosphoryliert, was zu einem Anstieg von GluR1 in der Plasmamembran führt. Bemerkenswerterweise blockierte ein cGKII-dominant-negatives Inhibitorpeptid den cGMP-abhängigen Anstieg der GluR1-Oberflächenexpression, verhinderte den Anstieg der Amplitude und Häufigkeit von mEPSCs nach chemLTP und reduzierte LTP in Hippocampusschnitten stark. Diese Ergebnisse zeigen einen Mechanismus, bei dem das NMDAR den AMPAR-Handel während der LTP über NO und cGKII reguliert (Serulle, 2007).

Da NO an postsynaptischen Stellen produziert wird und durch Lipidmembranen diffundieren kann, konzentrierten sich anfängliche Studien zur NO-abhängigen Plastizität auf die präsynaptische NO-Funktion durch retrograde Mechanismen. Einige Ergebnisse waren umstritten, möglicherweise weil unterschiedliche Methoden verwendet wurden. Tatsächlich erleichtern cGMP-Derivate LTP nur maximal, wenn sie kurz angewendet werden, wenn der NMDA-Rezeptor aktiv ist, und abweichende Protokolle würden zu widersprüchlichen Ergebnissen führen. In jüngerer Zeit hat die Verwendung neuer NO-Donoren und NOS-Antagonisten (Bon, 2003, Puzzo, 2005) sowohl in vitro als auch in vivo (Feil, 2005) eine Rolle der NO-Kaskade bei der synaptischen Plastizität gezeigt. Interessanterweise wurde, wie hier berichtet, festgestellt, dass sowohl der sGC-Inhibitor ODQ als auch der cGK-Inhibitor KT5823 LTP blockieren. Nichtsdestotrotz fehlten spezifische molekulare Mechanismen, die den Wirkungen von NO zugrunde liegen, insbesondere bei der NO-Kontrolle des AMPAR-Handels bei LTP. Die S-Nitrosylierung von NSF verstärkt die NSF-Bindung an GluR2 und reguliert die GluR2-Oberflächenexpression (Huang, 2005). Außerdem erhöht die Aktivierung des NO-cGMP-cGKI-Signalwegs sowohl GluR1 als auch Synaptophysin puncta und die Phosphorylierung von VASP in Hippocampus-Neuronen (Wang, 2005). Bisher wurde jedoch noch kein spezifischer Weg für die NO-Kontrolle des aktivitätsabhängigen GluR1-Transports zu Synapsen, einem wesentlichen Bestandteil von LTP, beschrieben. Die hier berichtete Wechselwirkung von cGKII mit GluR1 und der daraus folgende Effekt auf die GluR1-Oberflächenniveaus verknüpfen die Wirkungen von NO direkt mit LTP über den GluR1-Handel (Serulle, 2007).

Eine physikalische Assoziation von cGKII mit GluR1 ermöglicht es der Kinase, GluR1 bei S845 zu phosphorylieren. Diese Phosphorylierung ist für die cGMP-abhängige GluR1-Oberflächenanreicherung erforderlich, da die Blockierung der Phosphorylierung durch die S845A-GluR1-Mutation den Oberflächenanstieg blockiert. Die Phosphorylierung von S845 geht mit einer Erhöhung der GluR1-Oberflächenniveaus einher und ist für die synaptische GluR1-Insertion während der LTP notwendig. S845 wird während der Hippocampus-LTD dephosphoryliert, und die S845-Phosphorylierung allein reicht aus, um GluR1 in der extrasynaptischen Plasmamembran zu erhöhen. Bisher wurde nur die PKA-Phosphorylierung von S845 in Betracht gezogen, vielleicht weil es die anfängliche Kinase war, von der gezeigt wurde, dass sie diese Stelle phosphoryliert. Die vorliegende Studie zeigt, dass die Aktivität von cGKII auch S845 phosphoryliert (Serulle, 2007).

Erhöhungen von Oberflächen-GluR1 nach sowohl PKA- als auch cGKII-Phosphorylierung sind auf extrasynaptische Stellen beschränkt, und der synaptische Einbau von AMPAR erfordert mindestens einen zusätzlichen Schritt, möglicherweise vermittelt durch S818-Phosphorylierung. Obwohl 8-Br-cGMP allein die synaptischen Reaktionen des Hippocampus nicht verstärkte, erzeugte 8-Br-cGMP interessanterweise in Kombination mit einem schwachen Tetanus, der allein die Reaktionen nicht verstärkt, eine sofortige Potenzierung. Dies legt nahe, dass cGMP das System durch eine schwache tetanische Stimulation auf eine Potenzierung vorbereiten kann, möglicherweise durch eine Erhöhung der extrasynaptischen AMPAR-Oberflächenpopulation (Serulle, 2007).

Das NMDAR und nNOS interagieren wechselseitig mit PSD-95, und Ca2+-Flüsse durch das NMDAR aktivieren nNOS in diesem Komplex, um NO zu produzieren, das sGC zur Produktion von cGMP induziert, das cGKII aktiviert. Ca2+-Flüsse stimulieren auch Ca2+-regulierte Adenylatzyklasen, die cAMP produzieren, das PKA aktiviert, das auch S845 phosphoryliert. PKA bindet das A-Kinase-Ankerprotein AKAP79, das wiederum das Gerüstprotein der PDZ-Domäne, SAP97, bindet, das das GluR1-CTD bindet, wodurch PKA an das GluR1-CTD gerichtet und die Phosphorylierung von S845 erleichtert wird (Serulle, 2007).

Im Gegensatz zum SAP97-AKAP-PKA-Weg beruht der NO-cGMP-cGKII-Weg nicht auf einem Gerüst, da die Kinase direkt an den Rezeptor bindet. Interessanterweise zeigte eine Knockin-Maus, die GluR1 exprimiert, der die letzten 7 AS ihrer CTD fehlen und die SAP97 nicht bindet, normalen Hippocampus-LTP- und GluR1-Verkehr. Dies wird erklärt, wenn der NO-cGMP-cGKII-Weg S845 in dieser Mutante phosphoryliert (Serulle, 2007).

GluR1 interagiert mit cGKII über Hilfs- und Kernkontakt-CTD-Sequenzen, die S845 flankieren. Interessanterweise ähnelt eine CTD-Kontaktsequenz einer AI-Domänensequenz von cGKII, was darauf hindeutet, dass GluR1 die AI-Domäne nachahmt, um die katalytische Domäne zu binden. Außerdem ähnelt diese Rezeptor-Kinase-Interaktion der gut untersuchten CaMKII-Bindung an NR2B (Serulle, 2007).

In Abwesenheit von cGMP ist cGKII inaktiv. Nach der NMDAR-Stimulation induziert die Bindung von cGMP an cGKII eine cGKII-Konformationsänderung, die eine Autophosphorylierung der AI-Domäne, eine Freisetzung der AI-Domäne aus der katalytischen Domäne und eine Verlängerung der Kinase verursacht. Das GluR1-CTD bindet die neu exponierte katalytische Domäne von cGKII, wodurch die GluR1-Phosphorylierung und der Anstieg von Oberflächen-GluR1 erleichtert werden. In einem Modell für diesen Anstieg fördert die S845-Phosphorylierung den GluR1-Transport zur Plasmamembran, möglicherweise durch Freisetzung von GluR1 aus einem zytosolischen Retentionsfaktor. Alternativ kann GluR1 konstitutiv in die Plasmamembran ein- und austreten, und die S845-Phosphorylierung kann den Rezeptor an der Neuronenoberfläche stabilisieren. Bei beiden Modellen würde die S845-Phosphorylierung die Größe eines extrasynaptischen Pools regulieren, aus dem Rezeptoren während der LTP in die Synapse eingefügt werden können. Ein solcher Transport kann von zusätzlicher GluR1-Phosphorylierung abhängen. Da ein hochselektiver Peptidblock von cGKII LTP stark reduziert, ist eine solche Erhöhung eines extrasynaptischen Rezeptorpools wahrscheinlich eine Voraussetzung für die mit LTP verbundene synaptische Potenzierung. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das NMDAR die Größe eines solchen Rezeptorpools kontrollieren kann, indem es durch die nNOS-, NO- und cGMP-Produktion und die Aktivierung von cGKII wirkt (Serulle, 2007).

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