Interaktion von monoaminergen Neuronen, Gliazellen und circadianen Uhrneuronen bei der Kontrolle des Schlafwachverhaltens der Taufliege Drosophila melanogaster

• Antragstellerin: Professorin Dr. Charlotte Förster
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230305467

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt hatte zum Ziel, den Einfluss von Monoamintransmittern auf die großen PDF-positiven Uhrneuronen (= l-LNv) zu untersuchen. Dieser Untergruppe von circadianen Uhrneuronen wurde eine dominante Rolle in der Schlafregulation zugesprochen. Unsere Ausgangshypothese war, dass es Tripartit Synapsen zwischen diesen Uhrneuronen, Gliazellen und dopaminergen und/oder serotonergen Neuronen gibt und, dass eine Fehlregulation des Recyclings von Dopamin und/oder Serotonin über die Gliazellen zu Schlafstörungen führt. In Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen fanden wir, dass Dopamin den Schlaf hemmt, während Serotonin ihn fördert. Außerdem konnten wir zeigen, dass der ABC-Transporter „White“ in Gliazellen an der Schlafregulation beteiligt ist: Fehlte „White“, so schliefen die Fliegen sehr viel weniger als die Kontrolltiere, und die spezifische Herunterregulation von White in astrozytartigen Gliazellen reduzierte den Nachtschlaf der Tiere signifikant. Dies spricht dafür, dass White schlafhemmende/wachmachende Monoamine aus dem synaptischen Spalt in die Gliazellen transportiert und auf diese Weise das Signalisieren an nachgeschaltete Neurone beendet. In den Gliazellen sollten die Monoamine danach durch die Alanyltransferase Ebony alanyliert und letztendlich recycelt werden. Tatsächlich konnten wir massenspektrometrisch ß-Alanyl-Dopamin, aber nicht ß-Alanyl-Serotonin in Gehirnextrakten der Tiere nachweisen. Dies zeigt, dass der postulierte Transport und das Recyling in Gliazellen für Dopamin erfolgen, aber nicht für Serotonin. Mit diesem Ergebnis übereinstimmend war der ß-Alanyl-Dopamin Gehalt im Gehirn von Tieren ohne „White“-Transporter stark reduziert. Durch Immuno-EM konnten wir die Existenz von Tripartit-Synapsen zwischen den l-LNv, Gliazellen und anderen Neuronen nachweisen, bei denen es sich um dopaminerge Neuronen handeln könnte. All diese Ergebnisse sprechen für ein Recycling von Dopamin über Gliazellen: Mutanten mit beeinträchtigter Dopamin-Wiederaufnahme in Gliazellen wiesen eine längere Verweildauer von Dopamin im synaptischen Spalt und damit eine stärkere Schlafhemmung auf. Obwohl wir die für einen solchen Mechanismus geforderten Tripartitsynapsen zwischen l-LNv, Gliazellen und möglichen dopaminergen Neuronen nachweisen konnten, wurde die schlafhemmende Wirkung von Dopamin jedoch überraschenderweise nicht über l-LNv vermittelt: Nach Herunterregulation der cAMP-aktivierenden Dopaminrezeptoren DopR1 und DopR2 in den l-LNv , beobachteten wir eine leichte Abnahme statt Zunahme des Schlafes. Dopamin scheint also auf die l-LNv schlaffördernd und nicht schlafhemmend zu wirken. Damit muss Dopamin an anderer Stelle im Gehirn schlafhemmend/wachfördernd wirken. Studien anderer Gruppen haben den fächerförmigen Körper des Zentralkomplexes als besten Kandidaten dafür identifiziert. Die l-LNv könnten nichtsdestoweniger eine Rolle bei der Schlafregulation spielen. Wir konnten in dieser Studie die bereits publizierte schlaffördernde Wirkung von GABA über die l-LNv bestätigen. Zusätzlich zu den bereits bekannten ionotropen GABAA-Rezeptoren wiesen wir metabotrope GABAB-Rezeptoren auf den l-LNv nach. Deren Herunterregulation reduzierte den Schlaf in der zweiten Nachthälfte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die l-LNv eine moderate Rolle in der Schlafregulation spielen, dass sie Tripartitsynapsen mit Gliazellen und dopaminergen Neuronen bilden könnten, dass aber Dopaminsignale auf die l-LNv nicht die postulierte schlafhemmende/wachfördernde Wirkung haben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2013) GABAB receptors play an essential role in maintaining sleep during the second half of the night in Drosophila melanogaster. J Exp Biol 216, 3827-3843
  Gmeiner F, Kołodziejczyk A, Yoshii T, Nässel DR, Rieger D, Helfrich-Förster C
  
• (2016) Allatostatin A signalling in Drosophila regulates feeding and sleep and is modulated by PDF. PLoS Genetics 12(9):e1006346
  Chen J, Reiher W, Hermann-Luibl C, Sellami A, Cognigni P, Kondo S, Helfrich-Förster C, Veenstra JA, Wegener C
  
• (2018) Sleep in insects. Annu Rev Entomol 63:69-86
  Helfrich-Förster C