Universität zu Köln

Fried, Hans-Ulrich (2005). Geruchsstoffinduzierte Aktivität im Bulbus olfactorius der Maus: Aktivitätsmuster der olfaktorischen Rezeptorneuronen und Entwicklung eines Mausmodells zur aktivitätsabhängigen Markierung der Büschel- und Mitralzellen. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Der olfaktorische Bulbus von Nagern besitzt eine grobe chemotope und hierarchische Organisation: Geruchsstoffe einer Geruchsstoffklasse erregen Großteils die selben Bulbusregionen. Innerhalb dieser Repräsentationsdomänen erregen ähnliche Geruchsstoffe überlappende Muster aus aktivierten Glomeruli. Letztendlich identifiziert die genaue glomeruläre Zusammensetzung eines Aktivitätsmusters den Geruchsstoff eindeutig. In einem Glomerulus terminieren nur rezeptorgleiche Riechsinneszellen. In der Maus können, durch die Verwendung von transgenen Tieren, die mit der sogenannte knock-in Technik, basierend auf der homologen Rekombination, erzeugt wurden, bestimmte olfaktorische Rezeptorgene markiert werden. In vivo können so Neurone, die diese olfaktorischen Rezeptoren exprimieren, genauso wie die durch diese olfaktorischen Rezeptoren charakterisierten Glomeruli, identifiziert werden. Demnach kann in der Maus aus der Aktivität eines genetisch markierten Glomerulus auf das Ligandenspektrum des, den Glomerulus charakterisierenden Geruchsrezeptors, und aus den glomerulären Aktivitätsmustern auf die Aktivität vieler Geruchsrezeptoren auf einmal geschlossen werden. Letzteres wird durch die optische Ableitung der Oberflächenaktivität eines Bulbusauschnittes erreicht. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Methode angewendet, um Grundlagen der Kodierung im Bulbus olfactorius der Maus zu beschreiben. So wurde die Bedeutung der Molekülstruktur und Konzentration eines Geruchsstoffes für die Rezeptor-Liganden-Wechselwirkung ermittelt und eine grobe Korrelation zwischen Geruchsrezeptorfamilien und Aktivitätsmustern hergestellt. Darüber hinaus wurden weitgehendst unbekannte Liganden eines Geruchsrezeptors gefunden. Im dorsalen Bulbusausschnitt von Mäusen konnte eine etwa 80 Glomeruli umfassende Aldehyd-Domäne und eine 30 bis 40 Glomeruli umfassende posterior-dorsale Domäne in der zyklische Verbindungen repräsentiert wurden, beschrieben werden. Glomeruli beider Domänen konnten zum Teil durch Geruchsstoffe, die in der jeweils andere Domäne repräsentiert waren stimuliert werden. Mit niedrigen Geruchsstoffkonzentrationen wurden Aktivitätsmuster aus 10 bis 20 aktivierten Glomeruli erregt. Zunehmende Geruchsstoffkonzentrationen bewirkten zunehmend mehr aktivierte Glomeruli, wobei die relative Gewichtung eines Glomerulus innerhalb des Aktivitätsmusters von der Konzentration abhing und variierte. Nicht nur unterschiedliche Geruchsstoffe, sondern auch unterschiedliche Konzentrationen eines Geruchsstoffes evozierten verschiedene Aktivitätsmuster. In zwei Mäusen, in denen der M72-Glomerulus genetisch identifizierbar war, konnte für den M72-Geruchsrezeptor Cyclohexanon als Ligand demonstriert werden. Nitrobenzol und Benzaldehyd vermochten M72 nur sehr schwach, beziehungsweise nur in einem Tier deutlich, zu aktivieren. Insgesamt schienen die Glomeruli der M72-Region unterschiedlichere Ligandenspektren, als die Glomeruli der Aldehyd-Domäne aufzuweisen. Eine Erklärung hierfür könnten die relativ kleinen Rezeptorsubfamilien der M72 verwandten Geruchsrezeptoren, mit nur jeweils wenigen eng verwandten Rezeptoren, liefern. Nach dem heutigen Verständnis des glomerulären Anordnungsprinzipes sollten die Glomeruli der M72 Geruchsrezeptorfamilie in der M72-Region liegen, und nur eng verwandte Geruchsrezeptoren sollten ähnliche Ligandenspektren aufweisen. Demnach würde man ein heterogenes Ligandenspektren der Glomeruli aus der M72-Region erwarten. In einem weitergehenden experimentellen Ansatz wurde versucht, das neuronale Netzwerk des olfaktorischen Bulbus durch die Hilfe einer zelltypspezifischen aktivitätsabhängigen Markierung in seine zellulären Komponenten zu zerlegen. Um dies zu erreichen sollten zwei Mauslinie erzeugt werden. In einer Mausline würde die Expression der Sequenzspezifischen Rekombinase Cre unter dem büschel- und mitralzellspezifischen Promoter T-bet gestellt werden. In der zweiten Mauslinie würde die EGFP Expression unter dem aktivitätsabhängigen Promoter cfos nur dann erfolgen, wenn zuvor Cre-vermittelt eine translationale Stop-Kassette entfernt wurde. Durch die Kreuzung der beiden Mauslinien sollte nur in Büschel- und Mitralzellen die aktivitätsabhängige EGFP Expression erfolgen. An der Konstruktion einer cfos/EGFP Mauslinie wird zur Zeit in dem Labor von Prof. S. Korsching (als ein Projekt von Sunil Kumar) gearbeitet. In der hier vorliegenden Arbeit konnte die Erzeugung einer T-bet/Cre Founder-Maus gezeigt werden, die jedoch nicht weiter verpaart werden konnte und folglich die Etablierung einer Mauslinie nicht möglich war.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Odor induced activity in the olfactory bulb: Activity patterns of olfactory receptor neurons and development of a mouse model for activity dependent labeling of tufted and mitral cells. English
Translated abstract:	Abstract Language The rodent olfactory bulb is organized roughly chemotopically and hierarchically: Odorants with particular molecular features map coarsely onto particular regions (often termed domains) of the olfactory bulb. Within these domains similar odors evoke overlapping patterns of activated glomeruli. Finally, the precise identity of a stimulus can be decoded by inspection of the fine glomerular composition of an activity pattern. A single glomerulus is innervated by olfactory receptor neurons expressing the same olfactory receptor type. In the mouse, in vivo labeling and identification of specific glomeruli and thus specific olfactory receptors can be achieved by so-called knock-in techniques based on homologous recombination in olfactory receptor genes. Thus, in the mouse one can deduce from the activity within genetically marked glomeruli the ligand spectrum of specific olfactory receptors and from glomerular activity patterns the activity of many underlying olfactory receptors. The later is achieved by optical imaging of neuronal activity within a region of the olfactory bulb that can visualize at once the contributions by many different olfactory receptors responsive to a particular odorant. This technique was used in my work to identify principles of the olfactory coding strategy in the mouse olfactory bulb. Namely, I could reveal the contribution of the structure and concentration of an odorant for receptor-ligand interactions and I was able to find a correlation between an olfactory receptor family and certain activity patterns. In addition, I could identify several previously unknown ligands of a specific olfactory receptor. It could be shown that about eighty different olfactory receptors projecting to the dorsal olfactory bulb respond to aldehydes (termed aldehyde-domain) and between 30 and 40 olfactory receptors within a dorso-posterior region repond to odorants with different cyclic molecular structures. For both domains incidences were found where glomerular activity could be evoked with odorants mainly activating the other domain. Varying ensembles of about 10 to 20 receptors encode any particular odorant at low stimulus concentration with high specificity. With increasing odorant concentrations more receptors were recruited to a stimulus response. The releative weight af a particular receptor within an activity pattern varied with the stimulus concentration. Accordingly, not only different odorants but also different concentration of an odorant evoked different acivity patterns. In two independent cases cyclohexanone could be demonstrated as ligand for the mouse M72 olfactory receptor. Nitrobenzene and benzaldehyde represented only a weak ligand, or evoked only in one animal a response in the genetically identified M72 glomerulus, respectively. Alltogether, the glomeruli of the M72 region appeared more heterogenous with ligand spectra differing more dramatically from each other compared to ligand spectra of the aldehyd-domain. This may be due to the relatively small sizes of the different subfamilies of the M72 related receptors, which contain only few members closely related to each other. Since the present understanding of the glomerular map would predict the members of the M72 olfactory receptor family to define the glomeruli of the M72 containing region and since related OR are expected to possess related ligand spectra, one would expect rather diverse ligand spectra in this domain. In order to specifically analyse the properties of the projection neurons in situ within the whole olfactory information processing network, I attempted to genetically dissect the neural network of the olfactory bulb. To achieve this we attempted to construct two transgenic mouse lines, one expressing the site specific Cre recombinase under control of the mitral/tufted cell-specific t-bet promoter. The other mouse line should express EGFP under the activity dependent cfos promoter only after a transcriptional stop cassette would have been removed by Cre. When both mice lines are crossed the activity dependent EGFP expression should only occure in tufted and mitral cells. Construction of the cfos/EGFP mouse is ongoing in the laboratory of Prof. S. Korsching (as a project of Sunil Kumar). I could generate a single t-bet/Cre founder mouse, however so far it was not possible to breed this mouse further and thus no t-bet/Cre mouse line could be established yet. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Fried, Hans-Ulrich Hans.Fried@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-14398
Date:	2005
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Bulbus olfactorius , mitralzellen , optische Ableitung , T-bet , Aktivitätsmuster German olfaction , T-bet , mitral cell , olfactory bulb , optical recordings English
Date of oral exam:	15 February 2005
Referee:	Name Academic Title Korsching, Sigrun Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1439