Universität zu Köln

Hasselmann, Timo (2023). Not a dunce after all? - Dunce isoforms show differential localisation and influence memory in Drosophila melanogaster larvae. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The ability to learn and to remember is essential for an animal’s survival. The mechanisms that lead to memory formation are highly conserved across species. Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) is a second messenger that plays an important role in memory formation. Phosphodiesterases (PDEs) hydrolyse cAMP and cyclic guanosine monophosphate, reducing their levels. Dunce (Dnc) is a cAMP-specific PDE in Drosophila. dunce (dnc) is a complex gene that encodes several isoforms (Qiu et al., 1991). In general, Dnc is regarded as a PDE that reduces the overall cAMP concentration, leading to dnc mutants with short-term memory (STM) deficits (Aceves-Piña and Quinn, 1979; Davis and Kiger, 1981; Dudai et al., 1976). In this project we will investigate the role of different Dnc isoforms in learning and memory and their localisation at the cellular and subcellular level. We show in Drosophila larvae that DncPA and DncPB specific mutants display the opposite phenotype to classical dnc mutants, increased STM. This demonstrates that the Dnc memory phenotype is isoform-specific. The memory phenotype of a DncPA-specific mutant depends on PDE activity in neurons driven by the dncRA promoter. Of these, expression in a local interneuron projecting to the antennal lobe (AL) is most likely to affect memory formation. DncPB is localised in a group of neurons associated with gustatory signals (Melcher and Pankratz, 2005). As gustatory stimuli are used as reinforcers, they are likely to influence memory formation. We also localise other isoforms in the central nervous system. With large differences between the expression patterns of antibodies against the same isoforms, we show that Dnc is a highly interacting and highly modified protein. In mammals, the subcellular localisation of a PDE isoform has been shown to play an important role in memory formation (Martinez et al., 2023). We show that in Drosophila larvae, somatic PDE expression is essential for the memory phenotype in DncPA. The fly is able to compensate for increased PDE expression; however, reducing PDE levels in the soma of the correct neurons induces a memory phenotype. We propose the following mechanism for the influence of DncPA on memory formation: The reduced cAMP concentration in the soma of the Hv cluster leads to increased transmission of the reinforcer into the larval AL, thereby enhancing early memory in the AL. This leads to increased transmission of the signal to the mushroom body, where the memory is formed. Our findings provide a unique insight into the molecular mechanisms of memory formation. They expand the view of Dnc from a PDE with a specific memory phenotype to a collection of isoforms with their specific localisation, function and memory phenotypes. As PDEs are highly conserved between species, our findings may also provide insight into human memory formation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Lernen und Gedächtnisbildung sind entscheidend für das Überleben von Tieren. Die Mechanismen der Gedächtnisbildung sind hoch konserviert. Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) ist ein Second Messenger, der eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung spielt. Phosphodiesterasen (PDEs) hydrolysieren cAMP und zyklisches Guanosinmonophosphat und verringern so dessen Konzentration. Dunce (Dnc) ist eine cAMP-spezifische PDE in Drosophila. Das dunce (dnc)-Gen kodiert für mehrere Isoformen (Qiu et al., 1991). Dnc wird allgemein als PDE angesehen, die die cAMP-Konzentration in der gesamten Fliege reduziert, während dnc-Mutanten ein defektes Kurzzeitgedächtnis aufweisen (Aceves-Piña und Quinn, 1979; Davis und Kiger, 1981; Dudai et al., 1976). In diesem Projekt wollen wir verschiedene Dnc-Isoformen hinsichtlich ihrer Rolle bei der Gedächtnisbildung charakterisieren und ihre Lokalisation auf zellulärer und subzellulärer Ebene untersuchen. Wir zeigen in Drosophila-Larven, dass DncPA- und DncPB-spezifische Mutanten den umgekehrten Phänotyp klassischer dnc-Mutanten aufweisen und somit ein verbessertes Kurzzeitgedächtnis zeigen. Dies zeigt, dass dnc isoformspezifische Lernphänotypen verursacht. Der Lernphänotyp einer DncPA-spezifischen Mutante hängt von der PDE-Aktivität in Neuronen ab, in denen der dncRA-Promotor exprimiert wird. Von diesen Neuronen ist eine lokales Interneuron welches in den Antennallobus (AL) projiziert, am wahrscheinlichsten mit dem Lernphänotyp assoziiert. DncPB wird in Neuronen exprimiert, die mit gustatorischen Signalen assoziiert sind (Melcher und Pankratz, 2005). Da wir gustatorische Stimuli als Verstärker in larvalen Lernexperimenten verwenden, könnten diese Neurone einen Einfluss auf die Gedächtnisbildung haben. Wir bestimmen die Lokalisation weiterer Isoformen im larvalen Zentralnervensystem. Die Unterschiede zwischen verschiedenen Antikörpern gegen die gleiche Isoform zeigen, dass Dnc ein stark modifiziertes Protein ist, das mit anderen Proteinen interagiert. Bei Säugetieren wurde gezeigt, dass die subzelluläre Lokalisation von PDE-Isoformen eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung spielt (Martinez et al., 2023). Wir zeigen in Drosophila-Larven, dass für DncPA die somatische PDE-Expression essentiell für den Gedächtnisphänotyp ist. Die Fliege kann eine erhöhte PDE-Expression kompensieren, aber eine verminderte Expression führt zu einem Gedächtnisphänotyp. Unsere Erkenntnisse lassen zu folgenden Mechanismus für den Einfluss von DncPA auf die Gedächtnisbildung zusammenfassen: Die verringerte cAMP-Konzentration im Soma des Hv-Clusters führt zu einer erhöhten Signalübertragung des gustatorischen Verstärkers in den AL der Larve, wodurch das frühe Gedächtnis verstärkt wird. Dies führt zu einer verstärkten Signaltransmission in den Pilzkörper, wo das Gedächtnis gebildet wird. Unsere Ergebnisse bieten einen einzigartigen Einblick in die molekularen Mechanismen der Gedächtnisbildung. Sie erweitern die Sicht auf Dnc von einer PDE mit einem spezifischen Gedächtnisphänotyp zu einer Gruppe von Isoformen mit spezifischen Lokalisationen und Funktionen. Da PDEs zwischen verschiedenen Spezies stark konserviert sind, können unsere Ergebnisse auch zu einem besseren Verständnis der Gedächtnisbildung beim Menschen beitragen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hasselmann, Timo thasselm@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Censor UNSPECIFIED UNSPECIFIED Censor UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-723119
Date:	13 December 2023
Language:	English
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 English larvae English Dunce English learning and memory English antennal lobe English classical conditioning English memory formation English DncPA English DncPB English Dunce isoforms English subcellular localisation UNSPECIFIED
Date of oral exam:	26 February 2024
Referee:	Name Academic Title Scholz, Henrike Prof. Dr. Ito, Kei Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/72311