Expression of SCG10 and stathmin proteins in the rat olfactory system during development and axonal regeneration.

The membrane-associated protein SCG10 is expressed specifically by neuronal cells. Recent experiments have suggested that it promotes neurite outgrowth by increasing microtubule dynamics in growth cones. SCG10 is related to the ubiquitous but neuron-enriched cytosolic protein stathmin. To better understand the role played by SCG10 and stathmin in vivo, we have analyzed the expression and localization of these proteins in both the olfactory epithelium and the olfactory bulb in developing and adult rats, as well as in adult bulbectomized rats. The olfactory epithelium is exceptional in that olfactory receptor neurons constantly regenerate and reinnervate the olfactory bulb throughout animal life-span. SCG10 and stathmin expression in the olfactory receptor neurons was found to be regulated during embryonic and postnatal development and to correlate with neuronal maturation. Whereas SCG10 expression was restricted to immature olfactory receptor neurons (GAP-43-positive, olfactory marker protein-negative), stathmin was also expressed by the basal cells. In the olfactory bulb of postnatal and adult rats, a moderate to strong SCG10 immunoreactivity was present in the olfactory nerve layer, whereas no labeling was detected in the glomerular layer. Olfactory glomeruli also showed no apparent immunoreactivity for several cytoskeletal proteins such as tubulin and microtubule-associated proteins. In unilaterally bulbectomized rats, SCG10 and stathmin were seen to be up-regulated in the regenerating olfactory epithelium at postsurgery stages corresponding to olfactory axon regeneration. Our data strongly suggest that, in vivo, both SCG10 and stathmin may play a role in axonal outgrowth during ontogenesis as well as during axonal regeneration.

Acid sensing by the Drosophila olfactory system.

The odour of acids has a distinct quality that is perceived as sharp, pungent and often irritating. How acidity is sensed and translated into an appropriate behavioural response is poorly understood. Here we describe a functionally segregated population of olfactory sensory neurons in the fruitfly, Drosophila melanogaster, that are highly selective for acidity. These olfactory sensory neurons express IR64a, a member of the recently identified ionotropic receptor (IR) family of putative olfactory receptors. In vivo calcium imaging showed that IR64a+ neurons projecting to the DC4 glomerulus in the antennal lobe are specifically activated by acids. Flies in which the function of IR64a+ neurons or the IR64a gene is disrupted had defects in acid-evoked physiological and behavioural responses, but their responses to non-acidic odorants remained unaffected. Furthermore, artificial stimulation of IR64a+ neurons elicited avoidance responses. Taken together, these results identify cellular and molecular substrates for acid detection in the Drosophila olfactory system and support a labelled-line mode of acidity coding at the periphery.

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.

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.

Evolving olfactory systems on the fly.

The detection of odour stimuli in the environment is universally important for primal behaviours such as feeding, mating, kin interactions and escape responses. Given the ubiquity of many airborne chemical signals and the similar organisation of animal olfactory circuits, a fundamental question in our understanding of the sense of smell is how species-specific behavioural responses to odorants can evolve. Recent comparative genomic, developmental and physiological studies are shedding light on this problem by providing insights into the genetic mechanisms that underlie anatomical and functional evolution of the olfactory system. Here we synthesise these data, with a particular focus on insect olfaction, to address how new olfactory receptors and circuits might arise and diverge, offering glimpses into how odour-evoked behaviours could adapt to an ever-changing chemosensory world.

Early olfactory involvement in Alzheimer's disease.

BACKGROUND: In Alzheimer's disease (AD) the olfactory system, including the olfactory bulb, a limbic paleocortex is severely damaged. The occurrence of early olfactory deficits and the presence of senile plaques and neurofibrillary tangles in olfactory bulb were reported previously by a few authors. The goal of the present study was to analyze the occurrence of AD-type degenerative changes in the peripheral part of the olfactory system and to answer the question whether the frequency and severity of changes in the olfactory bulb and tract are associated with those of the cerebral cortex in AD. MATERIAL AND METHODS: In 110 autopsy cases several cortical areas and the olfactory bulb and tract were analyzed using histo- and immunohistochemical techniques. Based on a semiquantitative analysis of cortical senile plaques, neurofibrillary tangles and curly fibers, the 110 cases were divided into four groups: 19 cases with severe (definite AD), 14 cases with moderate, 58 cases with discrete and 19 control cases without AD-type cortical changes. RESULTS: The number of cases with olfactory involvement was very high, more than 84% in the three groups with cortical AD-type lesions. Degenerative olfactory changes were present in all 19 definite AD cases, and in two of the 19 controls. The statistical analysis showed a significant association between the peripheral olfactory and cortical degenerative changes with respect to their frequency and severity (P < 0.001). Neurofibrillary tangles and neuropil threads appear in the olfactory system as early as in entorhinal cortex. CONCLUSION: The results indicate a close relationship between the olfactory and cortical degenerative changes and indicate that the involvement of the olfactory bulb and tract is one of the earliest events in the degenerative process of the central nervous system in AD.

Sensing the environment : a role for the mouse olfactory subsystems

Summary : Four distinct olfactory subsystems compose the mouse olfactory system, the main olfactory epithelium (MOE), the septal organ of Masera (SO), the vomeronasal organ (VNO) and the Grueneberg ganglion (GG). They are implicated in the sensory modalities of the animal and they evolved to analyse and discriminate molecules carrying chemical messages, such as odorants and pheromones. In this thesis, the VNO, principally implicated in pheromonal communications as well as the GG, which had no function attributed until this work, were investigated from their morphology to their physiological functions, using an array of biochemical and physiological methods. First, the roles of a particular protein, the CNGA4 ion channel, were investigated in the VNO. In the MOE, CNGA4 is expressed as a modulatory channel subunit implicated in odour discrimination and adaptation. Interestingly, this calcium channel is the unique member of the cyclic nucleotide-gated (CNG) family to be expressed in the VNO and up to this work its functions remained unknown. Using a combination of transgenic and knockout mice, as well as histological and physiological approaches, we have characterized CNGA4 expression in the VNO. A strong expression in immature neurons was found as well as in the microvilli of mature neurons (putative site of chemodetection). Interestingly and confirming its dual localisation, the genetic invalidation of the CNGA4 channel has, as consequences, a strong impairment in vomeronasal maturation as well as deficit in pheromone sensing. Thus the CNGA4 channel appears to be a multifunctional protein in the mouse VNO playing essential role(s) in this organ. During the second part of the work, the morphology of the most recently described olfactory subsystem, the Grueneberg ganglion, was investigated in detail. Interestingly we found that glial cells and ciliated neurons compose this olfactory ganglion. This particular morphological aspect was similar to the olfactory AWC neurons from C. elegans which was used for further comparisons. Thus as for AWC neurons, we found that GG neurons are sensitive to temperature changes and are able to detect highly volatile molecules. Indeed, the presence of alarm pheromones (APs) secreted by stressed mice, elicit strong cellular responses, as well as a GG dependent behavioural changes. Investigations on the signaling elements present in GG neurons revealed that, as for AWC neurons, or pGC-D expressing neurons from the MOE, proteins participating in a cGMP pathway were found in GG neurons such as pGC-G and CNGA3 channels. These two proteins might be implicated in chemosensing as well as in thermosensing, two apparent properties of this organ. In this thesis, the multisensory modalities of two mouse olfactory subsystems were described and are related to a high degree of complexity required for the animal to sense its environment

Evolution and functional characterisation of the IR chemosensory receptors in the Drosophila larval gustatory system

Chemosensory receptor gene families encode divergent proteins capable of detecting a huge diversity of environmental stimuli that are constantly changing over evolutionary time as organisms adapt to distinct ecological niches. While olfaction is dedicated to the detection of volatile compounds, taste is key to assess food quality for nutritional value and presence of toxic substances. The sense of taste also provides initial signals to mediate endocrine regulation of appetite and food metabolism and plays a role in kin recognition. The fruit fly Drosophila melanogaster is a very good model for studying smell and taste because these senses are very important in insects and because a broad variety of genetic tools are available in Drosophila. Recently, a family of 66 chemosensory receptors, the Ionotropic Receptors (IRs) was described in fruit flies. IRs are distantly related to ionotropic glutamate receptors (iGluRs), but their evolutionary origin from these synaptic receptors is unclear. While 16 IRs are expressed in the olfactory system, nothing is known about the other members of this repertoire. In this thesis, I describe bioinformatic, expression and functional analyses of the IRs aimed at understanding how these receptors have evolved, and at characterising the role of the non-olfactory IRs. I show that these have emerged at the basis of the protostome lineage and probably have acquired their sensory function very early. Moreover, although several IRs are conserved across insects, there are rapid and dramatic changes in the size and divergence of IR repertoires across species. I then performed a comprehensive analysis of IR expression in the larva of Drosophila melanogaster, which is a good model to study taste and feeding mechanisms as it spends most of its time eating or foraging. I found that most of the divergent members of the IR repertoire are expressed in both peripheral and internal gustatory neurons, suggesting that these are involved in taste perception. Finally, through the establishment of a new neurophysiological assay in larvae, I identified for the first time subsets of IR neurons that preferentially detect sugars and amino acids, indicating that IRs might be involved in sensing these compounds. Together, my results indicate that IRs are an evolutionarily dynamic and functionally versatile family of receptors. In contrast to the olfactory IRs that are well-conserved, gustatory IRs are rapidly evolving species-specific receptors that are likely to be involved in detecting a wide variety of tastants. - La plupart des animaux possèdent de grandes familles de récepteurs chimiosensoriels dont la fonction est de détecter l'immense diversité de composés chimiques présents dans l'environnement. Ces récepteurs évoluent en même temps que les organismes s'adaptent à leur écosystème. Il existe deux manières de percevoir ces signaux chimiques : l'olfaction et le goût. Alors que le système olfactif perçoit les composés volatiles, le sens du goût permet d'évaluer, par contact, la qualité de la nourriture, de détecter des substances toxiques et de réguler l'appétit et le métabolisme. L'un des organismes modèles les plus pertinents pour étudier le sens du goût est le stade larvaire de la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster. En effet, la principale fonction du stade larvaire est de trouver de la nourriture et de manger. De plus, il est possible d'utiliser tous les outils génétiques développés chez la drosophile. Récemment, une nouvelle famille de 66 récepteurs chimiosensoriels appelés Récepteurs Ionotropiques (IRs) a été découverte chez la drosophile. Bien que leur orogine soit peu claire, ces récepteurs sont similaires aux récepteurs ionotropiques glutamatergiques impliqués dans la transmission synaptique. 16 IRs sont exprimés dans le système olfactif de la mouche adulte, mais pour l'instant on ne connaît rien des autres membres de cette famille. Durant ma thèse, j'ai effectué des recherches sur l'évolution de ces récepteurs ainsi que sur l'expression et la fonction des IRs non olfactifs. Je démontre que les IRs sont apparus chez l'ancêtre commun des protostomiens et ont probablement acquis leur fonction sensorielle très rapidement. De plus, bien qu'un certain nombre d'IRs olfactifs soient conservés chez les insectes, d'importantes variations dans la taille et la divergence des répertoires d'IRs entre les espèces ont été constatées. J'ai également découvert qu'un grand nombre d'IRs non olfactifs sont exprimés dans différents organes gustatifs, ce qui leur confère probablement une fonction dans la perception des goûts. Finalement, pour la première fois, des neurones exprimant des IRs ont été identifiés pour leur fonction dans la perception de sucres et d'acides aminés chez la larve. Mes résultats présentent les IRs comme une famille très dynamique, aux fonctions très variées, qui joue un rôle tant dans l'odorat que dans le goût, et dont la fonction est restée importante tout au long de l'évolution. De plus, l'identification de neurones spécialisés dans la perception de certains composés permettra l'étude des circuits neuronaux impliqués dans le traitement de ces informations.

Calcium imaging of odor-evoked responses in the Drosophila antennal lobe.

The antennal lobe is the primary olfactory center in the insect brain and represents the anatomical and functional equivalent of the vertebrate olfactory bulb. Olfactory information in the external world is transmitted to the antennal lobe by olfactory sensory neurons (OSNs), which segregate to distinct regions of neuropil called glomeruli according to the specific olfactory receptor they express. Here, OSN axons synapse with both local interneurons (LNs), whose processes can innervate many different glomeruli, and projection neurons (PNs), which convey olfactory information to higher olfactory brain regions. Optical imaging of the activity of OSNs, LNs and PNs in the antennal lobe - traditionally using synthetic calcium indicators (e.g. calcium green, FURA-2) or voltage-sensitive dyes (e.g. RH414) - has long been an important technique to understand how olfactory stimuli are represented as spatial and temporal patterns of glomerular activity in many species of insects. Development of genetically-encoded neural activity reporters, such as the fluorescent calcium indicators G-CaMP and Cameleon, the bioluminescent calcium indicator GFP-aequorin, or a reporter of synaptic transmission, synapto-pHluorin has made the olfactory system of the fruitfly, Drosophila melanogaster, particularly accessible to neurophysiological imaging, complementing its comprehensively-described molecular, electrophysiological and neuroanatomical properties. These reporters can be selectively expressed via binary transcriptional control systems (e.g. GAL4/UAS, LexA/LexAop, Q system) in defined populations of neurons within the olfactory circuitry to dissect with high spatial and temporal resolution how odor-evoked neural activity is represented, modulated and transformed. Here we describe the preparation and analysis methods to measure odor-evoked responses in the Drosophila antennal lobe using G-CaMP. The animal preparation is minimally invasive and can be adapted to imaging using wide-field fluorescence, confocal and two-photon microscopes.

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.

Visualizing olfactory receptor expression and localization in Drosophila.

Odor detection and discrimination by olfactory systems in vertebrates and invertebrates depend both on the selective expression of individual olfactory receptor genes in subpopulations of olfactory sensory neurons, and on the targeting of the encoded proteins to the exposed, ciliated endings of sensory dendrites. Techniques to visualize the expression and localization of olfactory receptor gene products in vivo have been essential to reveal the molecular logic of peripheral odor coding and to permit investigation of the developmental and cellular neurobiology of this sensory system. Here, we describe methods for detection of olfactory receptor transcripts and proteins in the antennal olfactory organ of the fruit fly, Drosophila melanogaster, an important genetic model organism. We include protocols both for antennal cryosections and whole-mount antennae. These methods can be adapted for detection of receptor expression in other olfactory and gustatory tissues in Drosophila, as well as in the chemosensory systems of other insects.