Functional architecture of olfactory ionotropic glutamate receptors.

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are ligand-gated ion channels that mediate chemical communication between neurons at synapses. A variant iGluR subfamily, the Ionotropic Receptors (IRs), was recently proposed to detect environmental volatile chemicals in olfactory cilia. Here, we elucidate how these peripheral chemosensors have evolved mechanistically from their iGluR ancestors. Using a Drosophila model, we demonstrate that IRs act in combinations of up to three subunits, comprising individual odor-specific receptors and one or two broadly expressed coreceptors. Heteromeric IR complex formation is necessary and sufficient for trafficking to cilia and mediating odor-evoked electrophysiological responses in vivo and in vitro. IRs display heterogeneous ion conduction specificities related to their variable pore sequences, and divergent ligand-binding domains function in odor recognition and cilia localization. Our results provide insights into the conserved and distinct architecture of these olfactory and synaptic ion channels and offer perspectives into the use of IRs as genetically encoded chemical sensors. VIDEO ABSTRACT:

Lack of evidence of the interaction of the Aß peptide with the Wnt signaling cascade in Drosophila models of Alzheimer's disease.

Background Alzheimer's disease (AD) is the leading form of dementia worldwide. The Aß-peptide is believed to be the major pathogenic compound of the disease. Since several years it is hypothesized that Aß impacts the Wnt signaling cascade and therefore activation of this signaling pathway is proposed to rescue the neurotoxic effect of Aß. Findings Expression of the human Aß42 in the Drosophila nervous system leads to a drastically shortened life span. We found that the action of Aß42 specifically in the glutamatergic motoneurons is responsible for the reduced survival. However, we find that the morphology of the glutamatergic larval neuromuscular junctions, which are widely used as the model for mammalian central nervous system synapses, is not affected by Aß42 expression. We furthermore demonstrate that genetic activation of the Wnt signal transduction pathway in the nervous system is not able to rescue the shortened life span or a rough eye phenotype in Drosophila. Conclusions Our data confirm that the life span is a useful readout of Aß42 induced neurotoxicity in Drosophila; the neuromuscular junction seems however not to be an appropriate model to study AD in flies. Additionally, our results challenge the hypothesis that Wnt signaling might be implicated in Aß42 toxicity and might serve as a drug target against AD.

Interactions between learning and immunity in Drosophila melanogaster

Learning and immunity are two adaptive traits with roles in central aspects of an organism's life: learning allows adjusting behaviours in changing environments, while immunity protects the body integrity against parasites and pathogens. While we know a lot about how these two traits interact in vertebrates, the interactions between learning and immunity remain poorly explored in insects. During my PhD, I studied three possible ways in which these two traits interact in the model system Drosophila melanogaster, a model organism in the study of learning and in the study of immunity. Learning can affect the behavioural defences against parasites and pathogens through the acquisition of new aversions for contaminated food for instance. This type of learning relies on the ability to associate a food-related cue with the visceral sickness following ingestion of contaminated food. Despite its potential implication in infection prevention, the existence of pathogen avoidance learning has been rarely explored in invertebrates. In a first part of my PhD, I tested whether D. melanogaster, which feed on food enriched in microorganisms, innately avoid the orally-acquired 'novel' virulent pathogen Pseudomonas entomophila, and whether it can learn to avoid it. Although flies did not innately avoid this pathogen, they decreased their preference for contaminated food over time, suggesting the existence of a form of learning based likely on infection-induced sickness. I further found that flies may be able to learn to avoid an odorant which was previously associated with the pathogen, but this requires confirmation with additional data. If this is confirmed, this would be the first time, to my knowledge, that pathogen avoidance learning is reported in an insect. The detrimental effect of infection on cognition and more specifically on learning ability is well documented in vertebrates and in social insects. While the underlying mechanisms are described in detail in vertebrates, experimental investigations are lacking in invertebrates. In a second part of my PhD, I tested the effect of an oral infection with natural pathogens on associative learning of D. melanogaster. By contrast with previous studies in insects, I found that flies orally infected with the virulent P. entomophila learned better the association of an odorant with mechanical shock than uninfected flies. The effect seems to be specific to a gut infection, and so far I have not been able to draw conclusions on the respective contributions of the pathogen's virulence and of the flies' immune activity in this effect. Interestingly, infected flies may display an increased sensitivity to physical pain. If the learning improvement observed in infected flies was due partially to the activity of the immune system, my results would suggest the existence of physiological connections between the immune system and the nervous system. The basis of these connections would then need to be addressed. Learning and immunity are linked at the physiological level in social insects. Physiological links between traits often result from the expression of genetic links between these traits. However, in social insects, there is no evidence that learning and immunity may be involved in an evolutionary trade-off. I previously reported a positive effect of infection on learning in D. melanogaster. This might suggest that a positive genetic link could exist between learning and immunity. We tested this hypothesis with two approaches: the diallel cross design with inbred lines, and the isofemale lines design. The two approaches provided consistent results: we found no additive genetic correlation between learning and resistance to infection with the diallel cross, and no genetic correlation in flies which are not yet adapted to laboratory conditions in isofemale lines. Consistently with the literature, the two studies suggested that the positive effect of infection on learning I observed might not be reflected by a positive evolutionary link between learning and immunity. Nevertheless, the existence of complex genetic relationships between the two traits cannot be excluded. - L'apprentissage et l'immunité sont deux caractères à valeur adaptative impliqués dans des aspects centraux de la vie d'un organisme : l'apprentissage permet d'ajuster les comportements pour faire face aux changements de l'environnement, tandis que l'immunité protège l'intégrité corporelle contre les attaques des parasites et des pathogènes. Alors que les interactions entre l'apprentissage et l'immunité sont bien documentées chez les vertébrés, ces interactions ont été très peu étudiées chez les insectes. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à trois aspects des interactions possibles entre l'apprentissage et l'immunité chez la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster, qui est un organisme modèle dans l'étude à la fois de l'apprentissage et de l'immunité. L'apprentissage peut affecter les défenses comportementales contre les parasites et les pathogènes par l'acquisition de nouvelles aversions pour la nourriture contaminée par exemple. Ce type d'apprentissage repose sur la capacité à associer une caractéristique de la nourriture avec la maladie qui suit l'ingestion de cette nourriture. Malgré les implications potentielles pour la prévention des infections, l'évitement appris des pathogènes a été rarement étudié chez les invertébrés. Dans une première partie de ma thèse, j'ai testé si les mouches, qui se nourrissent sur des milieux enrichis en micro-organismes, évitent de façon innée un 'nouveau' pathogène virulent Pseudomonas entomophila, et si elles ont la capacité d'apprendre à l'éviter. Bien que les mouches ne montrent pas d'évitement inné pour ce pathogène, elles diminuent leur préférence pour de la nourriture contaminée dans le temps, suggérant l'existence d'une forme d'apprentissage basée vraisemblablement sur la maladie générée par l'infection. J'ai ensuite observé que les mouches semblent être capables d'apprendre à éviter une odeur qui était au préalable associée avec ce pathogène, mais cela reste à confirmer par la collecte de données supplémentaires. Si cette observation est confirmée, cela sera la première fois, à ma connaissance, que l'évitement appris des pathogènes est décrit chez un insecte. L'effet détrimental des infections sur la cognition et plus particulièrement sur les capacités d'apprentissage est bien documenté chez les vertébrés et les insectes sociaux. Alors que les mécanismes sous-jacents sont détaillés chez les vertébrés, des études expérimentales font défaut chez les insectes. Dans une seconde partie de ma thèse, j'ai mesuré les effets d'une infection orale par des pathogènes naturels sur les capacités d'apprentissage associatif de la drosophile. Contrairement aux études précédentes chez les insectes, j'ai trouvé que les mouches infectées par le pathogène virulent P. entomophila apprennent mieux à associer une odeur avec des chocs mécaniques que des mouches non infectées. Cet effet semble spécifique à l'infection orale, et jusqu'à présent je n'ai pas pu conclure sur les contributions respectives de la virulence du pathogène et de l'activité immunitaire des mouches dans cet effet. De façon intéressante, les mouches infectées pourraient montrer une plus grande réactivité à la douleur physique. Si l'amélioration de l'apprentissage observée chez les mouches infectées était due en partie à l'activité du système immunitaire, mes résultats suggéreraient l'existence de connections physiologiques entre le système immunitaire et le système nerveux. Les mécanismes de ces connections seraient à explorer. L'apprentissage et l'immunité sont liés sur un plan physiologique chez les insectes sociaux. Les liens physiologiques entre les caractères résultent souvent de l'expression de liens entre ces caractères au niveau génétique. Cependant, chez les insectes sociaux, il n'y a pas de preuve que l'apprentissage et l'immunité soient liés par un compromis évolutif. J'ai précédemment rapporté un effet positif de l'infection sur l'apprentissage chez la drosophile. Cela pourrait suggérer qu'une relation génétique positive existerait entre l'apprentissage et l'immunité. Nous avons testé cette hypothèse par deux approches : le croisement diallèle avec des lignées consanguines, et les lignées isofemelles. Les deux approches ont fournies des résultats similaires : nous n'avons pas détecté de corrélation génétique additive entre l'apprentissage et la résistance à l'infection avec le croisement diallèle, et pas de corrélation génétique chez des mouches non adaptées aux conditions de laboratoire avec les lignées isofemelles. En ligne avec la littérature, ces deux études suggèrent que l'effet positif de l'infection sur l'apprentissage que j'ai précédemment observé ne refléterait pas un lien évolutif positif entre l'apprentissage et l'immunité. Néanmoins, l'existence de relations génétiques complexes n'est pas exclue.

Pseudomonas aeruginosa virulence genes identified in a Dictyostelium host model.

The human pathogen Pseudomonas aeruginosa has been shown previously to use similar virulence factors when infecting mammalian hosts or Dictyostelium amoebae. Here we randomly mutagenized a clinical isolate of P. aeruginosa, and identified mutants with attenuated virulence towards Dictyostelium. These mutant strains also exhibited a strong decrease in virulence when infecting Drosophila and mice, confirming that P. aeruginosa makes use of similar virulence traits to confront these very different hosts. Further characterization of these bacterial mutants showed that TrpD is important for the induction of the quorum-sensing circuit, while PchH and PchI are involved in the induction of the type III secretion system. These results demonstrate the usefulness and the relevance of the Dictyostelium host model to identify and analyse new virulence genes in P. aeruginosa.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

An olfactory receptor for food-derived odours promotes male courtship in Drosophila.

Many animals attract mating partners through the release of volatile sex pheromones, which can convey information on the species, gender and receptivity of the sender to induce innate courtship and mating behaviours by the receiver. Male Drosophila melanogaster fruitflies display stereotyped reproductive behaviours towards females, and these behaviours are controlled by the neural circuitry expressing male-specific isoforms of the transcription factor Fruitless (FRU(M)). However, the volatile pheromone ligands, receptors and olfactory sensory neurons (OSNs) that promote male courtship have not been identified in this important model organism. Here we describe a novel courtship function of Ionotropic receptor 84a (IR84a), which is a member of the chemosensory ionotropic glutamate receptor family, in a previously uncharacterized population of FRU(M)-positive OSNs. IR84a-expressing neurons are activated not by fly-derived chemicals but by the aromatic odours phenylacetic acid and phenylacetaldehyde, which are widely found in fruit and other plant tissues that serve as food sources and oviposition sites for drosophilid flies. Mutation of Ir84a abolishes both odour-evoked and spontaneous electrophysiological activity in these neurons and markedly reduces male courtship behaviour. Conversely, male courtship is increased--in an IR84a-dependent manner--in the presence of phenylacetic acid but not in the presence of another fruit odour that does not activate IR84a. Interneurons downstream of IR84a-expressing OSNs innervate a pheromone-processing centre in the brain. Whereas IR84a orthologues and phenylacetic-acid-responsive neurons are present in diverse drosophilid species, IR84a is absent from insects that rely on long-range sex pheromones. Our results suggest a model in which IR84a couples food presence to the activation of the fru(M) courtship circuitry in fruitflies. These findings reveal an unusual but effective evolutionary solution to coordinate feeding and oviposition site selection with reproductive behaviours through a specific sensory pathway.

Elements of olfactory reception in adult Drosophila melanogaster.

The olfactory system of Drosophila has become an attractive and simple model to investigate olfaction because it follows the same organizational principles of vertebrates, and the results can be directly applied to other insects with economic and sanitary relevance. Here, we review the structural elements of the Drosophila olfactory reception organs at the level of the cells and molecules involved. This article is intended to reflect the structural basis underlying the functional variability of the detection of an olfactory universe composed of thousands of odors. At the genetic level, we further detail the genes and transcription factors (TF) that determine the structural variability. The fly's olfactory receptor organs are the third antennal segments and the maxillary palps, which are covered with sensory hairs called sensilla. These sensilla house the odorant receptor neurons (ORNs) that express one or few odorant receptors in a stereotyped pattern regulated by combinations of TF. Also, perireceptor events, such as odor molecules transport to their receptors, are carried out by odorant binding proteins. In addition, the rapid odorant inactivation to preclude saturation of the system occurs by biotransformation and detoxification enzymes. These additional events take place in the lymph that surrounds the ORNs. We include some data on ionotropic and metabotropic olfactory transduction, although this issue is still under debate in Drosophila.

Role of Go/i subgroup of G proteins in olfactory signaling of Drosophila melanogaster.

Intracellular signaling in insect olfactory receptor neurons remains unclear, with both metabotropic and ionotropic components being discussed. Here, we investigated the role of heterotrimeric Go and Gi proteins using a combined behavioral, in vivo and in vitro approach. Specifically, we show that inhibiting Go in sensory neurons by pertussis toxin leads to behavioral deficits. We heterologously expressed the olfactory receptor dOr22a in human embryonic kidney cells (HEK293T). Stimulation with an odor led to calcium influx, which was amplified via calcium release from intracellular stores. Subsequent experiments indicated that the signaling was mediated by the Gβγ subunits of the heterotrimeric Go/i proteins. Finally, using in vivo calcium imaging, we show that Go and Gi contribute to odor responses both for the fast (phasic) as for the slow (tonic) response component. We propose a transduction cascade model involving several parallel processes, in which the metabotropic component is activated by Go and Gi , and uses Gβγ.

Drosophila intestinal response to bacterial infection: activation of host defense and stem cell proliferation.

Although Drosophila systemic immunity is extensively studied, little is known about the fly's intestine-specific responses to bacterial infection. Global gene expression analysis of Drosophila intestinal tissue to oral infection with the Gram-negative bacterium Erwinia carotovora revealed that immune responses in the gut are regulated by the Imd and JAK-STAT pathways, but not the Toll pathway. Ingestion of bacteria had a dramatic impact on the physiology of the gut that included modulation of stress response and increased stem cell proliferation and epithelial renewal. Our data suggest that gut homeostasis is maintained through a balance between cell damage due to the collateral effects of bacteria killing and epithelial repair by stem cell division. The Drosophila gut provides a powerful model to study the integration of stress and immunity with pathways associated with stem cell control, and this study should prove to be a useful resource for such further studies.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

Effects of inbreeding on aversive learning in Drosophila.

Inbreeding adversely affects life history traits as well as various other fitness-related traits, but its effect on cognitive traits remains largely unexplored, despite their importance to fitness of many animals under natural conditions. We studied the effects of inbreeding on aversive learning (avoidance of an odour previously associated with mechanical shock) in multiple inbred lines of Drosophila melanogaster derived from a natural population through up to 12 generations of sib mating. Whereas the strongly inbred lines after 12 generations of inbreeding (0.75<F<0.93) consistently showed reduced egg-to-adult viability (on average by 28%), the reduction in learning performance varied among assays (average=18% reduction), being most pronounced for intermediate conditioning intensity. Furthermore, moderately inbred lines (F=0.38) showed no detectable decline in learning performance, but still had reduced egg-to-adult viability, which indicates that overall inbreeding effects on learning are mild. Learning performance varied among strongly inbred lines, indicating the presence of segregating variance for learning in the base population. However, the learning performance of some inbred lines matched that of outbred flies, supporting the dominance rather than the overdominance model of inbreeding depression for this trait. Across the inbred lines, learning performance was positively correlated with the egg-to-adult viability. This positive genetic correlation contradicts a trade-off observed in previous selection experiments and suggests that much of the genetic variation for learning is owing to pleiotropic effects of genes affecting functions related to survival. These results suggest that genetic variation that affects learning specifically (rather than pleiotropically through general physiological condition) is either low or mostly due to alleles with additive (semi-dominant) effects.

Reproductive and post-reproductive life history of wild-caught Drosophila melanogaster under laboratory conditions.

The life history of the fruit fly (Drosophila melanogaster) is well understood, but fitness components are rarely measured by following single individuals over their lifetime, thereby limiting insights into lifetime reproductive success, reproductive senescence and post-reproductive lifespan. Moreover, most studies have examined long-established laboratory strains rather than freshly caught individuals and may thus be confounded by adaptation to laboratory culture, inbreeding or mutation accumulation. Here, we have followed the life histories of individual females from three recently caught, non-laboratory-adapted wild populations of D. melanogaster. Populations varied in a number of life-history traits, including ovariole number, fecundity, hatchability and lifespan. To describe individual patterns of age-specific fecundity, we developed a new model that allowed us to distinguish four phases during a female's life: a phase of reproductive maturation, followed by a period of linear and then exponential decline in fecundity and, finally, a post-ovipository period. Individual females exhibited clear-cut fecundity peaks, which contrasts with previous analyses, and post-peak levels of fecundity declined independently of how long females lived. Notably, females had a pronounced post-reproductive lifespan, which on average made up 40% of total lifespan. Post-reproductive lifespan did not differ among populations and was not correlated with reproductive fitness components, supporting the hypothesis that this period is a highly variable, random 'add-on' at the end of reproductive life rather than a correlate of selection on reproductive fitness. Most life-history traits were positively correlated, a pattern that might be due to genotype by environment interactions when wild flies are brought into a novel laboratory environment but that is unlikely explained by inbreeding or positive mutational covariance caused by mutation accumulation.

Electrophysiological recording from Drosophila taste sensilla.

INTRODUCTION The chemical senses smell and taste, detect and discriminate an enormous diversity of environmental stimuli and provide fascinating but challenging models to investigate how sensory cues are represented in the brain. Important stimulus-coding events occur in peripheral sensory neurons, which express specific combinations of chemosensory receptors with defined ligand-response profiles. These receptors convert ligand recognition into spatial and temporal patterns of neural activity that are transmitted to and interpreted in central brain regions. Drosophila provides an attractive model to study chemosensory coding, because it possesses relatively simple peripheral olfactory and gustatory systems that display many organizational parallels to those of vertebrates. Moreover, virtually all of the peripheral chemosensory neurons are easily accessible for physiological analysis, as they are exposed on the surface of sensory organs in specialized sensory hairs called sensilla. In recent years, improvements in microscopy and instrumentation for electrode manipulation have opened up the much smaller Drosophila system to electrophysiological techniques, powerfully complementing many years of molecular genetic studies. As with most electrophysiological methods, there is probably no substitute for learning this technique directly from a laboratory in which it is already established. This protocol describes the basics of setting up the electrophysiology rig and stimulus delivery device, sample preparation, and performing and analyzing recordings of stimulus-evoked activity from Drosophila taste sensilla.

Dpp signaling activity requires Pentagone to scale with tissue size in the growing Drosophila wing imaginal disc.

The wing of the fruit fly, Drosophila melanogaster, with its simple, two-dimensional structure, is a model organ well suited for a systems biology approach. The wing arises from an epithelial sac referred to as the wing imaginal disc, which undergoes a phase of massive growth and concomitant patterning during larval stages. The Decapentaplegic (Dpp) morphogen plays a central role in wing formation with its ability to co-coordinately regulate patterning and growth. Here, we asked whether the Dpp signaling activity scales, i.e. expands proportionally, with the growing wing imaginal disc. Using new methods for spatial and temporal quantification of Dpp activity and its scaling properties, we found that the Dpp response scales with the size of the growing tissue. Notably, scaling is not perfect at all positions in the field and the scaling of target gene domains is ensured specifically where they define vein positions. We also found that the target gene domains are not defined at constant concentration thresholds of the downstream Dpp activity gradients P-Mad and Brinker. Most interestingly, Pentagone, an important secreted feedback regulator of the pathway, plays a central role in scaling and acts as an expander of the Dpp gradient during disc growth.

Analysis of micro- and nano-structures of the corneal surface of Drosophila and its mutants by atomic force microscopy and optical diffraction.

Drosophila melanogaster is a model organism instrumental for numerous biological studies. The compound eye of this insect consists of some eight hundred individual ommatidia or facets, ca. 15 µm in cross-section. Each ommatidium contains eighteen cells including four cone cells secreting the lens material (cornea). High-resolution imaging of the cornea of different insects has demonstrated that each lens is covered by the nipple arrays--small outgrowths of ca. 200 nm in diameter. Here we for the first time utilize atomic force microscopy (AFM) to investigate nipple arrays of the Drosophila lens, achieving an unprecedented visualization of the architecture of these nanostructures. We find by Fourier analysis that the nipple arrays of Drosophila are disordered, and that the seemingly ordered appearance is a consequence of dense packing of the nipples. In contrast, Fourier analysis confirms the visibly ordered nature of the eye microstructures--the individual lenses. This is different in the frizzled mutants of Drosophila, where both Fourier analysis and optical imaging detect disorder in lens packing. AFM reveals intercalations of the lens material between individual lenses in frizzled mutants, providing explanation for this disorder. In contrast, nanostructures of the mutant lens show the same organization as in wild-type flies. Thus, frizzled mutants display abnormal organization of the corneal micro-, but not nano-structures. At the same time, nipples of the mutant flies are shorter than those of the wild-type. We also analyze corneal surface of glossy-appearing eyes overexpressing Wingless--the lipoprotein ligand of Frizzled receptors, and find the catastrophic aberration in nipple arrays, providing experimental evidence in favor of the major anti-reflective function of these insect eye nanostructures. The combination of the easily tractable genetic model organism and robust AFM analysis represents a novel methodology to analyze development and architecture of these surface formations.