Mechanismen der Licht-abhängigen Aktivierung von zirkadianen Uhr Neuronen in Drosophila

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Stanewsky
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438479585

Organismen erfahren täglich Fluktuationen von Licht und Temperatur, verursacht durch die die 24 h Rotation der Erde um ihre Achse. Zirkadiane Uhren haben sich entwickelt, damit Individuen ihr Verhalten und ihre Physiologie and diese Veränderungen anpassen können. Diese endogenen molekulare Oszillatoren kontrollieren z.B. den Schlaf/Wach Rhythmus in Mensch und Tier. Obwohl Schlaf allgemein als essentiell betrachtet wird, hat dieser Zustand auch Nachteile. Schlaf verkürzt die effektive Zeit der Nahrungssuche und im Schlaf sind Individuen leichte Beute für Räuber. Um diese Nachteile zu mildern exisitieren Mechanismen, die es Organismen erlauben bei Gefahr schnell aufzuwachen und angemessen zu reagieren. Diese Mechanismen senken den Schwellenwert, der nötig ist den Schlafzustand zu beenden, und der im Schlaf normalerweise hoch ist. In Drosophila konnten sogennante ‚Arousal Neurone‘ identifiziert werden, deren Aktivierung den Wachzustand fördert. Die 8 Arousal Neurone gehören zu den insgesamt 150 Uhr Uhr Neuronen, die die tägliche Laufaktivität der Fliege regulieren. Im Gegensatz zu den anderen Uhr Neuronen besitzen die Arousal Neurone jedoch keinen endogenen zirkadianen Oszillator, sind also keine ‚echten‘ Uhr Neurone. Sie werden durch Licht aktiviert, und können die Aktivtät anderer Uhr Neurone dadurch beeinflussen. Damit sind sie in der Lage zumindest zeitweise das Programm der anderen Uhr Neurone zu überschreiben, und kurzfrisitge Verhaltensänderungen zu induzieren, die nicht dem zirkadianen Verhaltensmuster folgen.Das vorliegende Projekt hat das Ziel die Lichtaktivierung der Arousal Neurone, und die damit verbundenen Verhaltensänderungen, auf molekularer Ebene zu verstehen. Licht aktiviert die Arousal Neurone durch das visuelle System und den Blaulichtrezeptor Cryptochrome. Diese Aktivierung führt zu posttranslationalen Veränderungen im QUASIMODO (QSM) Protein, welches extrazelluär in der Membran der Arousal Neurone verankert ist. QSM interagiert mit NKCC, das für Chlorid (Cl-) Transport in die Zelle verantwortlich ist. Interessanterweise bestimmt das Verhältnis zwischen NKCC und seinem ‚Antagonisten‘ KCC (Cl- Efflux) in den Uhr Neuronen anderer Insekten und in Säugern, ob der Neurotransmitter GABA eine hemmende oder aktivierende Wirkung hat. Wir möchten die Hypothese testen, dass QSM die licht-abhängige Aktivität der Arousal Neurone reguliert. Dabei ist QSM in Dunkelheit an NKCC gebunden, wodurch dieser Transporter inhibiert wird und GABA daher inhibierend wirkt. Lichtexposition führt zu einer rapiden Prozessierung von QSM, wodurch die Inhibierung von NKCC aufgehoben wird. Der verstärkte Einstrom von Cl- führt dann zu einer aktivierenden Wirkung von GABA auf die neuronale Aktivität. Dieser Mechanismus wäre in der Lage die den Arousal Neuronen im Dunkeln auferlegete GABA-Inhibierung kurzfrisitg in eine durch Licht induzierte GABA-Aktivierung umzukehren, und damit den Schwellenwert für die Initiation des Laufverhaltens (Aufwachen) herabzusetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen