Universität zu Köln

Jahn, Annika-Julia (2023). The Granuphilin homolog bitesize regulates sleep and longevity in Drosophila melanogaster. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In a RNAseq based screen of long-lived dilp 2-3,5 mutants, the btsz locus was identified as a potential downstream effector. The function of Granuphilin, the mammalian homolog of btsz, has been well described to mediate the exocytosis of insulin-containing granules in pancreatic beta cells via interaction with Rab27a (Yi et al. 2002, Torii et al. 2004, Gomi et al. 2005). In contrast, the function of Btsz, specifically the P1 isoform containing the highly conserved SHD domain, is barely described in Drosophila. A previous study conducted in our lab revealed, that Btsz P1 is exclusively expressed in the mushroom body (Weigelt 2018), a brain region that has been implicated in the regulation of sleep and olfactory learning (Joiner et al. 2006). Strikingly, deletion of btsz P1 resulted in a significant lifespan extension in male and female flies and increased sleep length in young male flies (Weigelt 2018). In this study we showed that deletion of btsz P1 significantly influenced sleep patterns in both, male and female flies, in line with the observed lifespan extension in both sexes. Notably, btsz P1∆ mutants also exhibited an improved sleep quality during ageing, which was accompanied by ameliorated deterioration in locomotion during ageing, indicating that btsz P1∆ mutants do not only live longer, but also show a delayed onset of a characteristic physiological decline. Since btsz P1∆ mutants phenocopy dilp 2-3,5 mutants in extended lifespan, reduced fecundity and weight, and prolonged nocturnal sleep, we wondered if Btsz P1 acts on the insulin-signalling pathway. Therefore, we performed genetic epistasis experiments and combined both mutations. The combination of both mutations, however, did not result in additive effects regarding lifespan and sleep, but rather resulted in detrimental effects. In addition, Btsz P1 did not localize in insulin-secreting neurons, suggesting that Btsz P1 influences insulin-signalling probably indirectly. To further investigate whether Btsz P1 regulates other sleep-regulating pathways, we modulated several sleep-regulating signalling-pathways pharmacologically and genetically. Sleep analysis revealed that btsz P1∆ mutants are resistant to interventions on the dopamine-signalling pathway, implying that Btsz P1 potentially acts in dopaminergic neurotransmission. Brain immunostainings revealed that Btsz P1 is not expressed in dopaminergic neurons, but in neurons expressing DopR, further supporting our sleep data. Also, analysis of the single cell expression atlas of the ageing Drosophila brain strengthened our hypothesis that Btsz P1 probably executes its function in neurons expressing DopR, since expression of btsz P1 was detected in the same neuronal clusters as DopR. Interestingly, Ca-alpha 1T, a channel that has been implicated in the regulation of sleep, colocalised with Btsz P1 in neurons expressing DopR. In addition, Ca-alpha 1T null mutants were resistant to methamphetamine treatment, reminiscent to btsz P1∆ mutants, rising the hypothesis that Btsz P1 might influence the exocytosis of Ca-alpha 1T to the transmembrane to restore-ion currencies in order to regulate the neuronal excitability.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Das Granuphilin-Homolog Bitesize reguliert Schlaf und Langlebigkeit in Drosophila melanogaster German
Translated abstract:	Abstract Language In einem RNAseq-basierten Screening von langlebigen dilp 2-3,5-Mutanten wurde der btsz-Locus als potenzieller nachgeschalteter Effektor identifiziert. Die Funktion von Granuphilin, dem Säugetier-Homolog von Btsz, in der Regulation der Exozytose von insulinhaltigen Granula in pankreatischen Betazellen über die Interaktion mit Rab27a ist bereits in der Literatur beschrieben (Yi et al. 2002, Torii et al. 2004, Gomi et al. 2005). Im Gegensatz dazu ist die Funktion von Btsz, insbesondere der P1-Isoform, die für die hoch konservierte SHD-Domäne kodiert, in Drosophila weitestgehend unbekannt. Eine frühere Studie, die in unserem Labor durchgeführt wurde, zeigte, dass Btsz P1 ausschließlich im Pilzkörper exprimiert wird (Weigelt 2018), einer Hirnregion, die verantwortlich für Regulierung von Schlaf und olfaktorischem Lernen ist (Joiner et al. 2006). Auffallend ist, dass die Deletion von btsz P1 zu einer signifikanten Verlängerung der Lebensspanne bei männlichen und weiblichen Fliegen und zu einer erhöhten Schlafdauer bei jungen männlichen Fliegen führt (Weigelt 2018). In dieser Studie konnten wir zeigen, dass die Deletion von btsz P1 nicht nur das Schlafverhalten bei männlichen, sondern auch bei weiblichen Fliegen signifikant beeinflusst, was im Einklang mit der beobachteten Verlängerung der Lebensspanne bei beiden Geschlechtern steht. Bemerkenswert ist, dass btsz P1∆-Mutanten auch eine verbesserte Schlafqualität während des Alterns aufwiesen, die mit einer abgemilderten Verschlechterung der Motorfunktion während des Alterns einherging, was darauf hindeutet, dass btsz P1∆-Mutanten nicht nur länger leben, sondern auch einen retardierten Beginn der altersassoziierten physiologischen Beeinträchtigungen zeigen. Da btsz P1∆-Mutanten phänotypisch ähnlich zu dilp 2-3,5-Mutanten in Bezug auf eine verlängerte Lebensspanne, eine geringere Fruchtbarkeit und ein geringeres Gewicht sowie einen verlängerten Nachtschlaf sind, fragten wir uns, ob Btsz P1 auf den Insulin-Signalweg einwirkt. Daher führten wir genetische Epistase-Experimente durch und kombinierten beide Mutationen. Die Kombination beider Mutationen führte jedoch nicht zu additiven Effekten in Bezug auf Lebensspanne und Schlaf, sondern eher zu gegensätzlichen Phänotypen. Darüber hinaus war Btsz P1 nicht in Insulin-sezernierenden Neuronen exprimiert, was darauf hindeutet, dass Btsz P1 den Insulin-Signalweg wahrscheinlich eher indirekt beeinflusst. Um weiter zu untersuchen, ob Btsz P1 in andere schlafregulierende Signalwege involviert ist, haben wir mehrere schlafregulierende Signalwege pharmakologisch und genetisch moduliert. Die Schlafanalyse ergab, dass btsz P1∆-Mutanten gegen Eingriffe in den Dopamin-Signalweg resistent sind, was darauf hindeutet, dass Btsz P1 möglicherweise in die dopaminerge Neurotransmission involviert ist. Immunfärbungen des Gehirns zeigten, dass Btsz P1 nicht in dopaminergen Neuronen, sondern in Neuronen, die DopR exprimieren, lokalisiert ist, was unsere Schlafdaten weiter unterstützt. Auch die Analyse des Einzelzellexpressionsatlas des alternden Drosophila-Gehirns bestätigte unsere Hypothese, dass Btsz P1 seine Funktion wahrscheinlich in Neuronen ausübt, die DopR exprimieren, da die Expression von Btsz P1 in denselben neuronalen Clustern wie DopR nachgewiesen wurde. Interessanterweise co-lokalisierte Ca-alpha 1T, ein Kanal, der mit der Regulierung des Schlafs in Verbindung gebracht wird, mit Btsz P1 in Neuronen, die DopR exprimieren. Darüber hinaus waren Ca-alpha 1T-Null-Mutanten resistent gegen Methamphetamin-Behandlung, was phänotypisch ähnlich zu btsz P1∆-Mutanten ist und die Hypothese aufkommen lässt, dass Btsz P1 die Exozytose von Ca-alpha 1T an die Transmembran beeinflussen könnte, um die Ionenverteilung in zuvor aktivierten Neuronen wiederherzustellen und so die neuronale Erregbarkeit zu regulieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Jahn, Annika-Julia annika-julia.jahn@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-733944
Date:	2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Biology of Ageing
Subjects:	Generalities, Science Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Drosophila melanogaster, bitesize, sleep, longevity, dopamine-signaling, insulin-signaling, aging, health span, genetics, neurobiology English Drosophila melanogaster, bitesize, Schlaf, Langlebigkeit, Dopamin-Signalweg, Insulin-Signalweg, Alterung, Gesundheitsspanne, Genetik, Neurobiologie German
Date of oral exam:	8 December 2023
Referee:	Name Academic Title Partridge, Linda Prof. Dr. Roth, Siegfried Prof. Dr. Riemer, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73394