Universität zu Köln

Molecular characterization of known and novel olfactory subsystems in the zebrafish

Gaurav, Ahuja (2014) Molecular characterization of known and novel olfactory subsystems in the zebrafish. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Olfaction or the sense of smell is phylogenetically ancient, and mediates many vital behaviors such as prey detection, predator evasion, reproduction and kin recognition. Basic principles of vertebrate olfaction, among them the so-called -'one neuron-one receptor' rule and the principle of axonal convergence, are conserved in zebrafish, a powerful vertebrate model system. Furthermore, zebrafish possess orthologs of all but one of the six olfactory receptor families described for mammals, and both main olfactory sensory neuron types, ciliated and microvillous neurons, are present in zebrafish, together with the corresponding signal transduction cascades. Here I show that the principle of axonal convergence of same-receptor-expressing neurons is valid for crypt neurons, a poorly understood third type of olfactory neurons that expresses the V1R-related ORA4 as sole olfactory receptor. I could identify the crypt neuron target glomerulus as mdg2, one of six invariant glomeruli in the mediodorsal cluster of the olfactory bulb.Together with the expression of ORA4 in all crypt neurons, this finding reveals a novel coding strategy in vertebrate olfaction: 'one cell type – one target glomerulus'. In the course of these studies I discovered and characterized a novel, forth population of olfactory neurons, which we named kappe neurons for their cap-like apical protrusion. For another member of the ora gene family, the recently deorphanized ORA1 receptor, I have identified a putative biological function for the first time. I could show that low concentrations of para-hydroxyphenyl acetic acid, a high affinity ligand of ORA1, elicit increases in oviposition frequency in zebrafish mating pairs, raising the exciting possibility that para-hydroxyphenyl acetic acid might constitute a novel reproductive pheromone. Whether the activation of a single olfactory receptor is sufficient to generate behavioral output, is currently an active field of research. However there are very few cases described, where this has been shown to be the case, chief among them the insect pheromone receptors. I could show that low concentrations of cadaverine, a high affinity ligand for a zebrafish trace amine-associated receptor, TAAR13c, are sufficient to elicit a distinct avoidance behavior, and that at the same low concentration most of the activated olfactory neurons expressed TAAR13c, using pERK levels as measure of neuronal activation. This result suggests that TAAR13c is the major and conceivably the only receptor eliciting sensitive avoidance behavior to cadaverine.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Der Geruchssinn ist phylogenetisch alt und vermittelt viele überlebenswichtige Verhaltensweisen wie das Aufspüren von Beutetieren, das Wahrnehmen von Fressfeinden, die Fortpflanzung und die Erkennung von Artgenossen. Grundlegende Prinzipien des Geruchssinnes in Vertebraten, darunter die sogenannte „ein Neuron-ein Rezeptor“-Regel und das Prinzip der axonalen Konvergenz, sind auch für den Zebrabärbling gültig, der ein etabliertes Wirbeltiermodellsystem darstellt. Darüber hinaus besitzt der Zebrafisch Orthologe für fünf der sechs olfaktorischen Rezeptorfamilien, die für Säugetiere bekannt sind. Auch die beiden grossen Populationen olfaktorischer sensorischer Neuronen, ciliierte und mikrovilläre Neuronen, sind im Zebrabärbling vorhanden, zusammen mit den dazugehörigen Signaltransduktionskaskaden. Ich konnte in dieser Arbeit zeigen, dass das Prinzip der axonalen Konvergenz von Neuronen, die den gleichen Rezeptor exprimieren, für Crypt-Neuronen gültig ist, die einen noch wenig verstandenen dritten Typus olfaktorischer Neurone darstellen und einen einzigen olfaktorischen Rezeptor, ORA4, exprimieren. Den Zielglomerulus von Crypt-Neuronen habe ich als mdg2 identifiziert, bei dem es sich um einen von sechs unveränderlichen Glomeruli in dem mediodorsalen Cluster des olfaktorischen Bulbus handelt. Zusammen mit der Expression von ORA4 in allen Crypt-Neuronen zeigt dieser Befund ein neue Kodierungsstrategie im olfaktorischen System von Vertebraten: „Ein Zelltyp-ein Zielglomerulus“. Im Verlauf dieser Untersuchungen habe ich eine neue, vierte Population olfaktorischer Neurone entdeckt und charakterisiert. Da diese Neuronen apikal eine Kappe-ähnliche Struktur aufweisen, wurden sie von uns als Kappe-Neuronen bezeichnet. Für ein anderes Mitglied der ora-Genfamilie, den ORA1-Rezeptor, habe ich zum ersten Mal eine mutmaßliche biologische Funktion identifiziert. Diesem Rezeptor konnte kürzlich (4-Hydroxyphenyl)-essigsäure als hochaffiner Ligand zugeordnet werden, und ich konnte zeigen, dass niedrige Konzentrationen dieses Liganden bei Zebrafischpärchen die Eiablage steigern, was die aufregende Möglichkeit aufwirft, dass (4-Hydroxyphenyl)-essigsäure ein neuartiges Reproduktionspheromon darstellen könnte. Ob die Aktivierung eines einzigen olfaktorischen Rezeptors ausreicht, um ein Verhalten hervorzurufen, ist eine gegenwärtig aktiv untersuchte Fragestellung. Es sind nur wenige Beispiele für ein solches monogenes Verhalten bekannt, in erster Linie die Pheromonrezeptoren von Insekten. Ich konnte zeigen, dass niedrige Konzentrationen von Kadaverin, einem hochaffinen Liganden für einen trace amine-associated receptor des Zebrabärblings, TAAR13c, ausreichend sind, um im Zebrafisch Vermeidungsverhalten auszulösen. Durch Messung von pERK als Maß für die neuronale Aktivität konnte ich zeigen, dass bei der gleichen niedrigen Konzentration die meisten der aktivierten olfaktorischen Neurone TAAR13c exprimierten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass TAAR13c der Hauptrezeptor und möglicherweise bei geringen Konzentrationen der einzige Rezeptor ist, der die aversive Reaktion auf Kadaverin auslöst.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Gaurav, Ahujagauravahuja77@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-60139
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Zebrafish, olfaction, ora4, crypt neurons, Kappe neuron, cadaverine, V1r, V2r, TAAREnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
    Language: English
    Date: 14 November 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 27 January 2015
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 13 Mar 2015 10:53:10
    Referee
    NameAcademic Title
    Korsching, Sigrun I.Prof. Dr.
    Kloppenburg, PeterProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6013

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