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An essential part of the animal survival strategy comprises the ability to control body movement and coordinate long-term navigational strategies, in order to maintain locomotion towards a nutrition source and stay in its vicinity. In the nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) this function is carried out by neuronal circuits, that vary their activity in response to diverse environmental condition.
This comprises different classes of neurons, acting together in a sensory, signaling and modulatory system to control body posture and induce behavioral responses. For this reason, one particular goal in the field of neuroscience research is to elucidate the mechanisms of how neuronal circuits integrate multiple sensory cues to navigate the environment. Aim of this study was to analyze the function of a neuronal network comprising the interneurons AVK, as well as the identification of signaling molecules, controlling body posture during food related locomotory behavior. This should be achieved by establishing optogenetic approaches, which provide a non inversive and temporally precise control of neuronal activity and drives the activation or silencing of individual neurons, to alter the neuronal basis of behavior. Animals exposed to food perform a dwelling-like behavior, characterized by a slowing of locomotion with a reduced crawling distance and an irregular movement, accompanied by a high frequency of pauses, reversals and directional changes. Upon food-removal, they initiate a local-search behavior with the same behavioral characteristics, but with a more pronounced sinusoidal movement. After a prolonged period of unsuccessful food finding, animals exhibited long runs with reduced pauses, reversals and turnings, increasing their maximal covered distance, indicated as dispersal behavior. Acute photoinhibition of AVK neurons, mediated by cell-specific expression of halorhodopsin (NpHR) caused the animals to perform a dwelling-like locomotory state with increased bending angles, as seen during local-search behavior. Thus, food-induced behavioral effects are mimicked by the optogenetic manipulation of AVK interneurons.
In this study, signaling molecules were ascertained by cell specific mRNA profiling of AVK neurons, mediating these behavioral responses. It was able to demonstrate, that flp-1, coding for a FMRFamidelike neuropeptide, is one of the genes with the highest distribution in AVK. In the absence of food, AVK neurons continuously release the FMRFamide-like neuropeptide FLP-1 to inhibit a subset of target motoneurons, leading the animals to maintain a low body curvature to promote dispersing behavior.
Conversely, if AVK was inhibited by NpHR or the presence of food, less FLP-1 was secreted to the body fluid, indicated by reduced intracellular fluorescence levels of mCherry-tagged FLP-1 proteins in the scavenger cells. The search of a FLP-1 receptor was successful by in vitro investigation on G protein-coupled receptors (GPCRs) and neuropeptide ligands, revealing NPR-6 to be activated by FLP-1 neuropeptides, but with a low potency. Expression pattern of the NPR-6 receptor indicated receptor localization in in the VC ventral cord and SMB head motoneurons, as well as in a subset of other neurons required for chemosensation and feeding. AVK interneurons are highly coupled to SMB head motoneurons, forming electrical synapses composed of the gap junction protein subunits UNC-7 and UNC-9. Elimination of SMB or gap junction genes using cell ablation and RNA interference, respectively, phenocopied effects of AVK inhibition on bending angles. Furthermore, this study was able to demonstrate that these neurons get inhibited during FLP-1 transmission to the NPR-6 receptor, which was required to mediate AVK effects on crawling behavior. Consequently, photoinhibition of AVK caused disinhibition of VC and SMB neurons, in order to enhance sinusoidal movement and to induce a local-search related locomotory behavior.
Thereby, FLP-1 neuropeptide transmission is the preferred used signaling pathway over direct gap junction coupling. Additional neuropeptides and receptors were identified to be essential downstream to AVK neurons to mediate effects on body curvature and locomotory behavior as well. The high-potency FRPR-7 receptor was shown to mediate FLP-1 peptide effects on undulatory motion during swimming in a liquid environment, rather than crawling locomotion on a solid surface. This result suggests that the receptor NPR-6 is required for FLP-1 peptide effects on bending and crawling locomotion, whereas conversely the receptor FRPR-7 is addressed by FLP-1 peptides to exclusively regulate swimming behavior. The FRPR-7 receptor is expressed in the AIM and NSM motoneurons, which are suggested to be the primary neuronal candidates mediating swimming behavior. Furthermore, this study provides evidence, that FRPR-7 acts in the DVC interneuron to control spontaneous reversal behavior, most probably by inhibitory FLP-1 signaling from the AVK neurons. Among other neuropeptides, the FMRFamide-like peptide FLP-26 binds with higher affinity to NPR-6 receptors than FLP-1 peptides. FLP-26 peptides are expressed in the SMB motoneurons, where they are able to further potentiate FLP-1 inhibitory effects by simultaneous binding to NPR-6.
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Background and Purpose: The cyclic nucleotides cAMP and cGMP are ubiquitous second messengers regulating numerous biological processes. Malfunctional cNMP signalling is linked to diseases and thus is an important target in pharmaceutical research. The existing optogenetic toolbox in Caenorhabditis elegans is restricted to soluble adenylyl cyclases, the membrane-bound Blastocladiella emersonii CyclOp and hyperpolarizing rhodopsins; yet missing are membrane-bound photoactivatable adenylyl cyclases and hyperpolarizers based on K+ currents.
Experimental Approach: For the characterization of photoactivatable nucleotidyl cyclases, we expressed the proteins alone or in combination with cyclic nucleotide-gated channels in muscle cells and cholinergic motor neurons. To investigate the extent of optogenetic cNMP production and the ability of the systems to depolarize or hyperpolarize cells, we performed behavioural analyses, measured cNMP content in vitro, and compared in vivo expression levels.
Key Results: We implemented Catenaria CyclOp as a new tool for cGMP production, allowing fine-control of cGMP levels. We established photoactivatable membrane-bound adenylyl cyclases, based on mutated versions (“A-2x”) of Blastocladiella and Catenaria (“Be,” “Ca”) CyclOp, as N-terminal YFP fusions, enabling more efficient and specific cAMP signalling compared to soluble bPAC, despite lower overall cAMP production. For hyperpolarization of excitable cells by two-component optogenetics, we introduced the cAMP-gated K+-channel SthK from Spirochaeta thermophila and combined it with bPAC, BeCyclOp(A-2x), or YFP-BeCyclOp(A-2x). As an alternative, we implemented the B. emersonii cGMP-gated K+-channel BeCNG1 together with BeCyclOp.
Conclusion and Implications: We established a comprehensive suite of optogenetic tools for cNMP manipulation, applicable in many cell types, including sensory neurons, and for potent hyperpolarization.
Biologischen Systemen liegen Mechanismen zugrunde, die bis heute nicht vollständig aufgeklärt sind. Für die Untersuchung eignen sich externe Trigger, die eine Regulation von außen auf das System erlauben und Prozesse gezielt steuerbar machen. Eine Möglichkeit ist das System unter optische Kontrolle zu bringen, d.h. durch Licht eine externe Steuerung zu implementieren, was von einem internen Chromophor aufgenommen wird. In der vorliegenden Dissertation werden drei individuelle Projekte vorgestellt, die alle dieses Prinzip auf unterschiedliche Weise anwenden.
RNAs haben eine Vielzahl an verschiedenen Funktionen in der Zelle, die von der Proteinsynthese bis zur Genregulation variieren. Im ersten Projekt wurde der Photoschalter Spiropyran im Kontext von RNA eingesetzt. Mit dem Ziel das Derivat PyBIPS kovalent an ein Oligonukleotid zu binden und damit die Hybridisierung eines Duplexes zu steuern, wurden Strukturmotive gesucht, an die der Photoschalter postsynthetisch gebunden werden kann. Dabei soll die sterisch anspruchsvolle Spiropyran-Form die Watson-Crick-Basenpaarung stören und die planare, konjugierte Merocyanin-Form in den Duplex, zur zusätzlichen Stabilisierung, interkalieren. In Vorarbeiten von Clara Brieke wurde festgestellt, dass erstens nur PyBIPS, nach kovalenter Verknüpfung, noch vollständig photochemisch aktiv ist und zweitens eine Herstellung über Festphasensynthese nur in schlechter Ausbeute realisierbar ist. Ausgehend davon wurde PyBIPS an die drei nicht-nukleosidischen Linker, Aminoglykol, D-Threoninol und Serinol, postsynthetisch über eine Amidbindung angebracht, die zuvor über Oligonukleotidfestphasensynthese in 2´-OMe-RNA eingebaut wurden.
In der photochemischen Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass PyBIPS, gebunden an alle drei Motive, noch photochemisch aktiv ist und im Vergleich zu ungebundenem PyBIPS stabiler ist gegenüber Photolyse. In Untersuchungen im Doppelstrang im Wedge Motiv, d.h. im Gegenstrang befindet sich kein Nukleotid gegenüber dem Photoschalter, wurde ein ähnliches Verhalten festgestellt. Zusätzlich zur charakteristischen Merocyanin-Bande bei 550 nm ist ein zweites, rotverschobenes Absorptionsmaximum entstanden, das die gleichen Eigenschaften besitzt. In Schaltzyklen wurde festgestellt, dass eine Isomerisierung bis 660 nm möglich ist, was eine Anwendung im therapeutischen Fenster zwischen ca. 600 und 1000 nm von Blut ermöglichen würde. Das Auftreten der zweiten Bande hängt stark vom Linker und dem Baustein im gegenüberliegenden Strang ab. Es wird vermutet, dass sich das, sonst nicht-bevorzugte, TTT-Isomer der Merocyanin-Form, durch Stabilisierung durch die Umgebung im Oligonukleotid ausbildet.
Zur Untersuchung, inwiefern die Isomerisierung des Photoschalters die Duplexstruktur beeinflusst, wurden Schmelzpunktstudien und Fluoreszenzmessungen zur KD-Bestimmung durchgeführt, ohne dass eine Veränderung zu erkennen war. In einer größeren NMR-Studie, in Kooperation mit Tom Landgraf (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Harald Schwalbe) wurde der Fokus darauf-gelegt mehr Informationen über die strukturelle Integrität zu erhalten. Es findet eine Störung der benachbarten Basenpaarungen durch den Photoschalter statt, jedoch kann die Kraft der Isomerisierung des Photoschalters nicht übertragen warden. Der Einfluss war zunächst geringer als erwartet, was in anderen Anwendungen überprüft warden muss.
Im zweiten Projekt steht das Membranprotein OmpG aus E. Coli K12 im Fokus. Proteine besitzen viele verschiedene funktionelle Gruppen, die für selektive Biokonjugation genutzt werden können in einer Reihe von Anwendungen. OmpG gehört zur Gruppe der Porine, die in der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien sitzen und die seltene ß-Fassstruktur ausbilden. Die Pore besitzt einen großen Innendurchmesser ohne Selektivität. Das Molekül wurde bereits intensiv auf seine Struktur, insbesondere Loop 6, der pH-abhängig die Pore verschließt, untersucht. In Vorarbeiten von Grosse et al. wurde der Loop entfernt, sodass ein ruhiger Kanal entstanden ist, der ein optimales Modellsystem darstellt. Außerdem wurden in der Pore zwei Cysteine, die auf gegenüberliegenden Seiten auf halber Höhe des Kanals sitzen, eingeführt. An die Thiolgruppen wurden photolabile Schutzgruppen angebracht, die erst den Kanal blockieren und nach Abspaltung durch Licht wieder freigeben. Dazu wurde jeweils ein 7-Diethylaminocumarin (DEACM) postsynthetisch angebracht.
Der Linker am Cumarin-Alkohol stellt dabei einen Kompromiss dar, da er zum einen selektiv mit der Thiolgruppe des Cysteins reagieren soll, gleichzeitig aber noch photo-induziert wieder abspalten muss. Durch Belichtung findet eine Hydrolyse des Esters unter Abspaltung des Alkohols statt, der einen Carbonsäurerest am Thiol in der Pore zurück lässt. In spannungsabhängigen Einzelkanal-messungen, durchgeführt von Dr. Philipp Reiß (Universität Marburg), konnte gezeigt werden, dass die zwei DEACM Modifikationen eine Reduktion der Leitfähigkeit bewirkten und durch Licht abgespalten und aus dem Kanal entfernt werden konnten. Dabei war außerdem zu erkennen, dass die Leitfähigkeit aufgrund der Carboxylreste über das Niveau von unmodifiziertem OmpG steigt.
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