Chemorezeptor vermittelte Aktivierung heterotrimerer G-Proteine und nachgeschalteter Signaltransduktionswege in Drosophila melanogaster
Final Report Abstract
Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist als Modellorganismus besonders geeignet, um zu verstehen, wie chemische Signale wahrgenommen und in bestimmte Verhaltensweisen umgesetzt werden können. Drosophila hat anatomisch gut charakterisierte chemosensorische Systeme, ist genetisch leicht manipulierbar, das Genom ist vollständig sequenziert und es existieren einfache Verhaltenstests, um die Geruchs- und Geschmackswahrnehmung zu untersuchen. In den letzten Jahren ist aber deutlich geworden, dass zwischen Säugetieren und Insekten bei den Signaltransduktionsmechanismen in den chemosensorischen Organen deutliche Unterschiede bestehen, besonders gut beschrieben wurden die Unterschiede für die Geruchswahrnehmung. In Insekten gibt es neben den Duft-bindenden Rezeptoren einen koexprimierten Rezeptor (ORCO), der sich durch einen hohen Konservierungsgrad auszeichnet und der selber keine Duftmoleküle bindet. Dieser Rezeptor heterodimerisiert mit den Duft-bindenden Rezeptoren. Obwohl bioinformatische Analysen 7 Transmembranbereiche für die Rezeptoren vorhersagen, konnte gezeigt werden, dass die Membrantopologie sich von der Topologie anderer GPCRs unterscheidet und dass der N-Terminus intrazellulär lokalisiert ist. Erst im Verlauf der von uns durchgeführten Arbeiten wurde publiziert, dass ORCO zusammen mit den Duft-bindenden Rezeptoren einen heteromeren Liganden-gesteuerten Ionenkanal bildet. Sehr kontrovers wird seitdem die Beteiligung von metabotropen Mechanismen diskutiert. In diesem Wiederspruch stellen die durchgeführten Untersuchungen wichtige Aspekte für eine Beteiligung von G-Protein an der Signalkaskade dar. Wir konnten zeigen, dass die meisten der im Drosophila Genom kodierten G-Protein Untereinheiten in der Antenne exprimiert werden. Durch einen genetischen Ansatz bei dem verschiedene Gα-Protein-Untereinheiten, G-Protein Mutanten und Toxine in OR83bexprimierenden Neuronen gezielt angeschaltet wurden, konnte eine Beteiligung von Gαs an der Signaltransduktionskaskade gezeigt werden. Gαs war auch im rekombinanten Zellsystem an der Signalkaskade beteiligt. Übereinstimmend damit konnten wir zeigen, dass die Erhöhung der intrazellulären cAMP Spiegel über optogenetische Methoden zur gesteigerten Aktivierung der sensorischen Neuronen führt. Zusammengenommen weisen die Daten auf eine Beteiligung von Gαs vermittelten Signalmechanismen in der olfaktorischen Signalkaskade hin. Außerdem haben wir die Expression von G-Protein Untereinheiten in gustatorischen Neuronen im Labellum über genetische Methoden modifiziert. Wir konnten zeigen, dass Gαo für das Fressverhalten und die Erregbarkeit der Zellen nach Stimulation mit Sucrose, Glucose und Fructose wichtig ist, die Detektion anderer Zucker und die Detektion von Bitterstoffen aber nicht beeinflusst. Die Daten zeigen, dass G-Proteine eine Rolle bei der Geschmacksdetektion in Drosophila spielen und dass es bei den verschiedenen Geschmacksqualitäten unterschiedliche Signalmechanismen gibt.
Publications
- 2011. Go alpha is involved in sugar perception in Drosophila. Chemical Senses. 36:69-81
Bredendiek, N., J. Hutte, A. Steingraber, H. Hatt, G. Gisselmann, and E.M. Neuhaus
- 2011. The stimulatory Galpha(s) protein is involved in olfactory signal transduction in Drosophila. PloS One. 6:e18605
Deng, Y., W. Zhang, K. Farhat, S. Oberland, G. Gisselmann, and E.M. Neuhaus
- 2013. Amiloride derivatives are effective blockers of insect odorant receptors. Chemical Senses. 38:231-236
Rollecke, K., M. Werner, P.M. Ziemba, E.M. Neuhaus, H. Hatt, and G. Gisselmann
(See online at https://doi.org/10.1093/chemse/bjs140)
