Universität zu Köln

Schneider, Andrea Benedicte (2011). Analyse der mechanistischen Grundlagen von Ethanolpräferenz bei Drosophila melanogaster. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Präferenz bestimmt verschiedenen Verhaltensweisen, wie die Wahl zwischen verschiedenen Futterquellen oder Paarungspartner. Eine Chemikalie, die Präferenz auslöst ist Ethanol. Dieser führt Fliegen zu fermentierenden Früchten. Hierbei zeigen Fliegen eine dosisabhängige Ethanolpräferenz. Geringe Konzentrationen sind für Drosophila melanogaster attraktiv, während hohe Konzentrationen von 23 % Ethanol für sie aversiv sind (Ogueta et al., 2010). Um eine Präferenz ausbilden zu können, sind neuronale Grundlagen und Mechanismen notwendig. Eine neuronale Grundlage wird durch das tyraminerge/oktopaminerge Neuro-transmittersystem vermittelt. Tyramin-β-Hydroxylase- Mutanten (TβH) können keine positiven Assoziationen zwischen einem angebotenen Duft und einer Belohnung herstellen (Schwärzel et al., 2003). Da Präferenz eine positive Bewertung eines Stimulus darstellt, sollte der Einfluss von TβH auf die Ethanolpräferenz getestet werden. Hier konnte gezeigt werden, dass die TβHnM18-Mutanten keine Präferenz für fünf Prozent Ethanol zeigen, da sie den gegebenen Duftstimulus zwar riechen, diesen aber nicht als positiv einstufen können. Dieser Phänotyp kann durch die Expression des UAS-TβH Transgens mithilfe zweier GAL4-Fliegenlinien - dTdc2-GAL4 und Feb15-GAL4 - gerettet werden. Eine immunhistochemische Untersuchung der GAL4-Expressionsdomänen verschiedener Fliegenlinien konnte zeigen, dass nur ca. 22 TβH-positiven Neurone in den Clustern AL2 und VM im Gehirn von Drosophila melanogaster für die Ethanolpräferenz notwendig sind. Durch neuronale Ausschaltung der dTdc2-GAL4-abhängigen Neurone in der adulten Fliege konnte die Präferenz aufgehoben werden. Das bedeutet, dass TβH in der Entscheidungssituation vorhanden sein muss, um eine Präferenz auszubilden. Ferner konnte durch die Aktivierung des Channelrhodopsins-2 mit blauem Licht in diesen dTdc2-GAL4-abhängigen Neurone in adulten Fliegen Präferenz ausgelöst werden. Diese Präferenz war unabhängig davon, ob die Fliegen durch das blaue Licht einen visuellen Reiz bekamen. Damit ist TβH notwendig und ausreichend um Ethanolpräferenz in adulten Fliegen zu vermitteln. Or83b-Mutanten können keinen durch Duft hervorgerufenen Verhaltensantworten zeigen (Larsson et al., 2004). Durch die Verwendung dieser olfaktorischen Mutanten konnte gezeigt werden, dass die Ethanolpräferenz durch einen olfaktorischen Stimulus ausgelöst wird. Der Or83b-Rezeptor scheint eine wichtige Rolle für die Ethanolpräferenz zu spielen, jedoch nicht für die Aversion. Daher scheint es, dass die Ethanolpräferenz und die Aversion anderen mechanistischen Grundlagen unterliegen. Ferner konnte gezeigt werden, dass die Or83b-Mutanten nicht anosmisch sind, sondern einen Defekt in der Unterscheidung komplexer Düfte aufweisen. Außerdem wird in Or83b-Mutanten der Duft an sich schwächer wahrgenommen und daher eine Verhaltensantwort erst bei höheren Konzentrationen ausgelöst. Des Weiteren sollten Mutanten für das Duftbindungsprotein LUSH untersucht werden, da diese hohe Ethanolkonzentrationen nicht vermeiden (Kim et al., 1998). Diese lush-Mutanten zeigen eine Ethanolpräferenz und eine reduzierte Aversion für hohe Ethanolkonzentrationen. Damit hängt die Ethanolpräferenz und die Aversion nicht alleine von LUSH ab. Um eine weitere sensorische Modalität zu überprüfen, wurden pox neuro (poxn)-Mutanten verwandt. In diesen Mutanten sind alle chemonsensorische Borsten in mechanosensorische Borsten umgewandelt und sie können daher nicht mehr schmecken. Anhand dieser poxn-Mutanten konnte kein Einfluss des Geschmacks auf die Präferenz oder die Aversion gezeigt werden. Bislang konnte ein Einfluss des Ethanolmetabolismus auf die Ethanolpräferenz aufgrund des Enzyms Alkoholdehydrogenase gezeigt werden (Ogueta et al., 2010). Deswegen sollte das zweite Enzym im Alkoholmetabolsimus, die Aldehyddehydrogenase (ALDH) untersucht werden. Mit Hilfe von ALDH-Mutanten sollte herausgefunden werden, ob die Anreicherung des Metaboliten Acetaldehyd einen Einfluss auf die Ethanolpräferenz hat. Vorversuche mit ALDH-Mutanten konnten einen Einfluss des Enzyms ALDH aufdecken. ALDH-Mutanten scheinen keine Ethanolpräferenz aufzuweisen. Dies kann wahrscheinlich auf die gesteigerte Konzentration des toxischen Abbauproduktes Acetaldehyd zurückgeführt werden.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language UNSPECIFIED English
Translated abstract:	Abstract Language Preference guides an animal towards a food source or a mating partner. One example of a substance which influences preference is ethanol, which attracts insects to fermenting fruits. Here, adult flies show a dose dependent preference to ethanol-containing food sources. Flies are attracted to food sources containing low concentrations of ethanol, whereas those containing higher concentrations of ethanol (23%) cause aversion (Ogueta et al., 2010). Neuronal networks and mechanisms form the basis for ethanol preference and aversion. One such network is the tyraminergic/octopaminergic neurotransmitter system. Mutants for the gene Tyramine-β-hydroxylase (TβH), the rate-limiting enzyme which converts tyramine to octopamine, fail to build positive associations between an odor stimulus and a reward (Schwärzel et al., 2003). Since preference is a positive evaluation of a stimulus, the influence of TβH on preference was tested. Here, it could be shown that the TβHnM18 mutant is not able to show ethanol preference because the odor stimulus is not judged as positive even they can smell the odor. This phenotype could be rescued via the expression of the TβH transgene under the control of two GAL4 driver lines: dTdc2-GAL4 and Feb15-GAL4, which drive transgene expression in different neurons. Immunohistochemical dissection of the GAL4 expressing domains revealed that approx. 22 TβH positive neurons in the clusters AL2 and VM in the brain of Drosophila melanogaster are important for mediating ethanol preference. When the expression of TβH was silenced in these neurons in adult flies, they were not able to show ethanol preference anymore. This shows that TβH has to be present in a particular set of neurons in order for flies to show ethanol preference. In addition we also showed that ethanol preference can be mediated via the activation of channelrhodopsin-2 via blue light in adult flies in dTdc2-GAL4-dependend neurons. Next, the correlation between ethanol preference and an odor stimulus was further studied. For this purpose, Or83b mutants, which are not able to show odor mediated behaviors, were used (Larsson et al., 2004). Using different olfactory mutants, it could be shown that ethanol preference is caused by an olfactory stimulus. The receptor Or83b seems to play an important role in ethanol preference, which is not observed for ethanol aversion. It would thus seem that ethanol preference and aversion are mediated by different mechanisms. It should also be noted that the Or83b mutant is able to smell, but shows defects in discriminating complex odors. Or83b mutants also have a weaker ability to perceive odors and therefore the behavioral answer is shifted to higher concentrations. Mutants of the odorant binding protein LUSH were also studied, as lush mutants show defects in avoidance of high ethanol concentrations (Kim et al, 1998). Here, the lush mutants show normal ethanol preference and a reduced aversion to high ethanol concentrations. This shows that the preference nor the aversion is only LUSH-dependend. For another approch, pox neuro (poxn) mutants were used. These mutants are not able to taste, because their chemosensory bristles are converted to mechanosensory bristles. With the aid of these mutants it could be shown that taste has no influence on ethanol preference and aversion. So far the influence of ethanol metabolism on ethanol preference could only be shown for the enzyme alcohol dehydrogenase (Ogueta et al., 2010). Hence the second enzyme - aldehyde dehdyrogenase (ALDH) - should also be examined. With the aid of ALDH mutants, the role of the enrichment of the metabolite acetaldehyde for ethanol preference could be examined. Preliminary experiments with ALDH mutants show that ALDH has an influence on preference. This is probably due to the higher concentration of acetaldehyde. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schneider, Andrea Benedicte S.keksi@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-43840
Date:	6 October 2011
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Drosophila melanogaster German Drosophila melanogaster English Ethanolpräferenz German ethanol preference English Tyramin-ß-Hydroxylase German tyramine-ß-hydrosylase English
Date of oral exam:	1 July 2011
Referee:	Name Academic Title Scholz, Henrike Prof. Dr. Büschges, Ansgar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4384