Universität zu Köln

Two opposing serotonergic neuronal circuits modulate ethanol preference of Drosophila melanogaster

Xu, Li (2013) Two opposing serotonergic neuronal circuits modulate ethanol preference of Drosophila melanogaster. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Decision making is vital for Drosophila melanogaster to find food or avoid hazards. When offering wild type flies ethanol enriched food and food without ethanol, flies prefer 5% ethanol containing food (Ogueta et al., 2010). This behavior is caused by olfactory stimuli (Schneider et al., 2012). When the odor information is processed, the decision to approach one odor source has to be converted in movement. In addition, flies tend to climb up the vials after they have been shaken down which is known as negative geotaxis (Kamikouchi et al., 2009). Walking speed measured in negative geotaxis assays can be used to analyze locomotion behavior (Strauss and Heisenberg, 1993). The neurotransmitter serotonin (5-HT) modulates olfactory processing in antennal lobe of Drosophila (Dacks et al., 2007). Increased serotonin level by feeding 5-HTP, the serotonin precursor, also causes reduced locomotion activity in flies (Yuan et al., 2006). The role serotonin plays in ethanol preference has not been analyzed. In addition, it is not clear whether serotonin involved in negative geotaxis locomotion. To dissect the role of serotonin in odor evoked ethanol preference, the function of the key regulator in serotonin signaling‒the serotonin transporter (SERT) in olfactory ethanol preference was analyzed. The serotonin transporter removes serotonin from synaptic cleft via reuptake it into the pre-synaptic neuron and therefore terminates the action of serotonin in the synaptic cleft. Even though different dSERT mutants have different transcript level, western blot showed that dSERT protein levels are severely reduced in all dSERT mutants. The loss of SERT expression is correlated with changes in locomotion since dSERT16 mutants fail to perform climbing task and also dSERT18 showed impaired negative geotaxis climbing. dSERT mutants were tested for odor evoked ethanol preference. The dSERT16 mutants could not decide for either food odors or ethanol containing food odor. These results suggested that serotonin is a negative regulator, as increased serotonin levels lead to decreased climbing ability and loss of ethanol odor preference. To confirm the accurate role of serotonin signaling in odor evoked ethanol preference, a dominant-negative version of the serotonin transporter unable to bind serotonin was expressed in different serotonergic neurons in the fly brain to increase serotonin signaling. Expression of this modified transporter in TPH-GAL4 driven neurons indeed caused a reduction of ethanol preference. That is due to prolonged 5-HT signaling, since a similar phenotype was observed when flies were fed with the serotonin precursor 5-HTP resulting in increased 5-HT levels (Schläger, 2013). Locomotion did not contribute to the reduce preference, since TPH-GAL4/UAS-SERTDN flies behaved normal in anti-geotaxis climbing. These results indicate that increased serotonin level suppresses ethanol preference and a subset of serotonergic neurons driven by TPH-GAL4 is required for ethanol odor induced behavior. When disturbing dSERT function in SERT3-GAL4 dependent serotonergic neurons a decreased preference to ethanol was also recorded. However, these flies exhibit robust ability in climbing. A subset of six serotonergic neurons was found in IP, LP1 and SE1 clusters. Four common serotonergic neurons in IP and LP1 clusters were targeted after compared neuronal expression pattern of SERT3-GAL4 with TPH-GAL4. Therefore, ethanol preference is modulated by four serotonergic neurons from IP and LP1 clusters in the brain. Surprisingly expression of UAS-SERTDN in TRH-GAL4 dependent neurons which covered 83% of serotonergic neurons in CNS does not alter ethanol preference. Beside the same neurons found in TPH-GAL4 and SERT3-GAL4 drivers, additional serotonergic neurons in CSD, DP and abdominal ganglia were detected. This data suggests another opposing serotonergic neuronal circuit exists to modulate ethanol preference. To verify that preference changes were not due to the strength of different GAL4 expression, UAS-SERTDN was expressed simultaneously in SERT3-GAL4 and TRH-GAL4 driven neurons. Thereby no change in preference was detected. Same result was observed by expressing UAS-SERTDN in SERT3-GAL4/RN2-E-GAL4 driver. However, those flies showed defects in negative geotaxis climbing. RN2-E-GAL4 drives CSD neuron in the brain and a cluster in the abdominal ganglia. Serotonergic cells in CSD cluster and abdominal ganglia are involved in modulating ethanol preference and climbing. In conclusion, dSERT participates in the modulation of odor evoked preference and negative geotaxis climbing. Serotonin acts as a negative modulator in ethanol preference. Increased serotonin level leads to decreased ethanol preference and four putative serotonergic neurons in IP and LP1 clusters are responsible for this behavior. The preference change is not due to movement ability. Another opposing serotonergic circuit is also involved in regulating ethanol odor evoked ethanol preference in Drosophila melanogaster.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Um Futterquellen zu finden oder Gefahren zu meiden sind Entscheidungsprozesse für Drosophila melanogaster überlebenswichtig. Wenn wildtypischen Fliegen die Wahl zwischen einer Futter-Duftquelle ohne und mit 5% Ethanol gegeben wird, dann präferieren die Fliegen die Alkohol-haltige Futterquelle (Ogueta et al., 2010). Das Verhalten wird hervorgerufen durch einen olfaktorischen Stimulus (Schneider et al., 2012). Wenn die Geruchsinformationen verarbeitet werden, muss die Entscheidung sich einer Geruchsquelle zu nähern in Bewegung umgesetzt werden. Zudem kann bei Fliegen negative Geotaxis beobachtet werden. Fliegen klettern hierbei nach oben, nachdem sie herunter geklopft wurden (Kamikouchi et al., 2009). Die Laufgeschwindigkeit der Fliegen in einem negativen Geotaxis Experiment dient zur Analyse von Fortbewegungsverhalten (Strauss und Heisenberg, 1993). Der Neurotransmitter Serotonin (5-HT) moduliert Geruchsverarbeitung im Antennallobus von Drosophila (Dacks et al., 2007). Durch die Fütterung von 5-HTP (Vorstufe von Serotonin) erhöhte Serotoninspiegel resultieren in eingeschränkter Bewegungsaktivität (Yuan et al., 2006). Die Rolle, die Serotonin in Ethanolpräferenz spielt, wurde bisher noch nicht analysiert. Darüber hinaus ist nicht klar, ob Serotonin an der Fortbewegung bei negativer Geotaxis beteiligt ist. Um die Rolle von Serotonin in olfaktorischer Ethanolpräferenz zu analysieren, wurde die Funktion des Serotonin-Transporters (SERT) in olfaktorischer Ethanolpräferenz untersucht. SERT ist der Schlüsselregulator in der Serotonin-Signalweiterleitung. Er entfernt Serotonin aus dem synaptischen Spalt durch Serotonin-Wiederaufnahme in die Präsynapse. Dadurch wird die Wirkung von Serotonin im synaptischen Spalt beendet. Obwohl verschiedene dSERT Mutanten unterschiedlich veränderte dSERT Transkriptlevel aufweisen, haben Western Blots gezeigt, dass dSERT auf Protein-Ebene in allen dSERT Mutanten stark reduziert ist. Der Verlust der dSERT Expression korreliert mit einer veränderten Fortbewegung, da dSERT16 Mutanten keine negative Geotaxis zeigen und das Kletterverhalten bei dSERT18 Mutanten ebenfalls beeinträchtigt ist. Auch die olfaktorische Ethanolpräferenz der dSERT Mutanten wurde getestet. Die dSERT16 Mutanten konnten sich weder für Futter mit Ethanol noch für Futter ohne Ethanol entscheiden. Dieses Ergebnis suggeriert, dass Serotonin ein negativer Regulator ist, weil erhöhte Serotoninlevel zu reduzierter Kletterfähigkeit und einem Verlust an olfaktorischer Ethanolpräferenz führt. Um die genaue Rolle von Serotonin in olfaktorischer Ethanolpräferenz zu bestimmen, wurde eine dominant-negative Version des Serotonin-transporters, welcher Serotonin nicht binden kann, in unterschiedlichen Neuronen im Fliegengehirn exprimiert, wodurch dort die Serotonin Signalweiterleitung erhöht wurde. Die Expression dieses modifizierten Transporters in Neuronen, die durch die TPH-GAL4 angesprochen werden, führte zu einer Verminderung der Ethanolpräferenz. Dies passiert aufgrund der verlängerten 5-HT-Signalweiterleitung, da ein ähnlicher Phänotyp beobachtet werden kann, wenn Fliegen mit dem Serotonin-Vorläufer 5-HTP gefüttert werden, was zu einem erhöhten Niveau von 5-HT führt (Schläger, 2013). Der Präferenzphänotyp liegt nicht an Fortbewegungsproblemen, da TPH-GAL4/UAS-SERTDN Fliegen normales Geotaxis-Klettern aufweisen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung des Serotoninspiegels Ethanolpräferenz unterdrückt und die Teilmenge von serotonergen Neuronen, die durch die TPH-GAL4 angesprochen werden, für olfaktorisches Ethanol-induziertes Verhalten erforderlich ist. Wenn die dSERT Funktion in SERT3-GAL4 abhängigen serotonergen Neuronen gestört wird, ist eine verminderte Ethanolpräferenz zu beobachten. Allerdings zeigen diese Fliegen robuste Fähigkeit im Klettern. Eine Untergruppe von sechs serotonergen Neuronen im IP, LP1 und SE1 Cluster wurden gefunden. Vier gemeinsame serotonergen Neuronen im IP und LP1 Cluster können nach Vergleich neuronale Expressionsmuster von SERT3-GAL4 mit TPH-GAL4 bestimmt werden. Das bedeutet, dass Ethanolpräferenz in diesen vier serotonergen Neuronen des IP und LP1 Clusters im Gehirn vermittelt wird. Überraschenderweise verändert die Expression von UAS-SERTDN in TRH-GAL4-abhängigen Neuronen, welche 83% der serotonergen Neuronen im ZNS abdecken, nicht die Ethanolpräferenz. Neben den Neuronen, die sowohl von der TPH-GAL4 als auch in SERT3 GAL4-Treiberline angesprochen werden, konnten zusätzliche serotonergen Neuronen im CSD, DP und im Abdominalganglion nachgewiesen werden. Diese Daten legen nahe, dass ein weiterer serotonerger neuronaler Schaltkreis besteht, der Ethanolpräferenz moduliert. Um zu überprüfen, dass die Präferenz nicht auf unterschiedlicher Expressionsstärke der verschiedenen GAL4 Expressionen basierte, wurde UAS-SERTDN simultan in SERT3-GAL4 und TRH-GAL4 assoziierten Neuronen exprimiert. Hierbei konnte keine Veränderung der Präferenz beobachtet werden. Ebenfalls keine Veränderung der Präferenz wurde gezeigt, wenn UAS-SERTDN in SERT3-GAL4/RN2-E-GAL4 Neuronen exprimiert wird. Diese Fliegen zeigten jedoch Kletterdefekte in negativer Geotaxis. Die RN2-E-GAL4 Linie treibt CSD Neurone im Gehirn und in einem Cluster im Abdominalganglion. Serotonerge Zellen im CSD Cluster und im Abdominalganglion sind daran beteiligt Ethanolpräferenz zu vermitteln. Abschließend ist zu sagen, dass dSERT an der Modulation von olfaktorischem Präferenzverhalten und negativer Geotaxis beteiligt ist. Serotonin wirkt als negativer Modulator in Ethanolpräferenz. Erhöhter Serotoninspiegel führt zu reduzierter Ethanolpräferenz wobei vier serotonerge Neurone im IP und LP1 Cluster dieses Verhalten vermitteln. Der Präferenzphenotyp ist nicht hervorgerufen durch Defekte in der Bewegungsfähigkeit. Ein weiterer serotonerger Schaltkreis ist wahrscheinlich für die Vermittlung von olfaktorischer Ethanolpräferenz in Drosophila melanogaster beteiligt.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Xu, Limaolixu@hotmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-55259
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Drosophila, serotonin, ethanol preference, neuronal circuits, immunohistochemistry, behaviorEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Zoologisches Institut
    Language: English
    Date: 04 December 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 24 January 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 31 Mar 2014 11:47:27
    Referee
    NameAcademic Title
    Scholz, HenrikeProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5525

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