Photoperiod-dependent plasticity of circadian pacemaker center in the brain of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae

To various degrees, insects in nature adapt to and live with two fundamental environmental rhythms around them: (1) the daily rhythm of light and dark, and (2) the yearly seasonal rhythm of the changing photoperiod (length of light per day). It is hypothesized that two biological clocks evolved in organisms on earth which allow them to harmonize successfully with the two environmental rhythms: (1) the circadian clock, which orchestrates circadian rhythms in physiology and behavior, and (2) the photoperiodic clock, which allows for physiological adaptations to changes in photoperiod during the course of the year (insect photoperiodism). The circadian rhythm is endogenous and continues in constant conditions, while photoperiodism requires specific light inputs of a minimal duration. Output pathways from both clocks control neurosecretory cells which regulate growth and reproduction. This dissertation focuses on the question whether different photoperiods change the network and physiology of the circadian clock of an originally equatorial cockroach species. It is assumed that photoperiod-dependent plasticity of the cockroach circadian clock allows for adaptations in physiology and behavior without the need for a separate photoperiodic clock circuit. The Madeira cockroach Rhyparobia maderae is a well established circadian clock model system. Lesion and transplantation studies identified the accessory medulla (aMe), a small neuropil with about 250 neurons, as the cockroach circadian pacemaker. Among them, the pigment-dispersing factor immunoreactive (PDF-ir) neurons anterior to the aMe (aPDFMes) play a key role as inputs to and outputs of the circadian clock system. The aim of my doctoral thesis was to examine whether and how different photoperiods modify the circadian clock system. With immunocytochemical studies, three-dimensional (3D) reconstruction, standardization and Ca2+-imaging technique, my studies revealed that raising cockroaches in different photoperiods changed the neuronal network of the circadian clock (Wei and Stengl, 2011). In addition, different photoperiods affected the physiology of single, isolated circadian pacemaker neurons. This thesis provides new evidence for the involvement of the circadian clock in insect photoperiodism. The data suggest that the circadian pacemaker system of the Madeira cockroach has the plasticity and potential to allow for physiological adaptations to different photoperiods. Therefore, it may express also properties of a photoperiodic clock.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Signaling of Pigment-Dispersing Factor (PDF) in the Madeira Cockroach Rhyparobia maderae

The insect neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF) is a functional ortholog of vasoactive intestinal polypeptide, the coupling factor of the mammalian circadian pacemaker. Despite of PDF's importance for synchronized circadian locomotor activity rhythms its signaling is not well understood. We studied PDF signaling in primary cell cultures of the accessory medulla, the circadian pacemaker of the Madeira cockroach. In Ca2+ imaging studies four types of PDF-responses were distinguished. In regularly bursting type 1 pacemakers PDF application resulted in dose-dependent long-lasting increases in Ca2+ baseline concentration and frequency of oscillating Ca2+ transients. Adenylyl cyclase antagonists prevented PDF-responses in type 1 cells, indicating that PDF signaled via elevation of intracellular cAMP levels. In contrast, in type 2 pacemakers PDF transiently raised intracellular Ca2+ levels even after blocking adenylyl cyclase activity. In patch clamp experiments the previously characterized types 1–4 could not be identified. Instead, PDF-responses were categorized according to ion channels affected. Application of PDF inhibited outward potassium or inward sodium currents, sometimes in the same neuron. In a comparison of Ca2+ imaging and patch clamp experiments we hypothesized that in type 1 cells PDF-dependent rises in cAMP concentrations block primarily outward K+ currents. Possibly, this PDF-dependent depolarization underlies PDF-dependent phase advances of pacemakers. Finally, we propose that PDF-dependent concomitant modulation of K+ and Na+ channels in coupled pacemakers causes ultradian membrane potential oscillations as prerequisite to efficient synchronization via resonance.

The function of SIFamide, PDF, and further neuropeptides in the circadian system of Rhyparobia maderae

Der täglich Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte während der Evolution zur Entwicklung innerer Uhren in nahezu allen Organismen. In der Schabe Rhyparobia maderae lokalisierten Läsions- und Transplantationsexperimente die innere Uhr in der akzessorischen Medulla (AME). Dieses kleine birnenförmige Neuropil am ventromedianen Rand der Medulla ist mit etwa 240 Neuronen assoziiert, die eine hohe Anzahl an zum Teil kolokalisierten Neuropeptiden und Neurotransmittern exprimieren. Diese Signalstoffe scheinen essentiell zu sein für die Synchronisation der inneren Uhr mit der Umwelt, der Kopplung der beiden bilateralen AME, der Aufrechterhaltung des circadianen Rhythmus sowie der zeitlichen Steuerung bestimmter Verhaltensweisen. Während die Funktion einiger dieser neuronalen Botenstoffe bereits gut untersucht ist, fehlt sie für andere. Zudem ist noch ungeklärt, wann einzelne Botenstoffe im circadianen Netzwerk agieren. Im Fokus dieser Studie lag daher die Erforschung der Funktion von SIFamide und Corazonin im circadianen Netzwerk sowie die weitere Untersuchung der Funktionen der Neuropeptide MIP und PDF. Es konnte gezeigt werden, dass SIFamide auch in R. maderae in vier großen neurosekretorischen Zellen in der pars intercerebralis exprimiert wird. Varikosenreiche SIFamide-immureaktive (-ir) Fasern innervieren eine Vielzahl an Neuropilen und finden sich auch in der Hüllregion der AME. Injektionsexperimente resultierten in einer monophasischen Phasen-Antwort-Kurve (PRC) mit einer Verzögerung zur frühen subjektiven Nacht. SIFamide ist also ein Eingangssignal für das circadiane Netzwerk und könnte in der Kontrolle der Schalf/Wach-Homöostase involviert sein. Auch Corazonin fungiert als Eingangssignal. Da die Injektionsexperimente in einer monophasischen PRC mit einem Phasenvorschub zur späten subjektiven Nacht resultierten, ist davon auszugehen, dass die Corazonin-ir AME-Zelle Bestandteil des Morning-Oszillator-Netzwerkes in R. maderae ist. Darüber hinaus zeigten Backfill-Experimente, dass MIP an der Kopplung beider AMAE beteiligt ist. ELISA-Quantifizierungen der PDF-Level im Tagesverlauf ergaben Schwankungen in der Konzentration, die auf eine Ausschüttung des Peptids während des Tages hindeuten – ähnlich wie es in Drosophila melanogaster der Fall ist. Dies spiegelt sich in der vervollständigten bimodalen PDF-PRC wieder. Hier führen Injektionen zu einem Phasenvorschub, bevor maximale Peptidlevel erreicht werden, sowie zu einer Phasenverzögerung, sobald die Peptidlevel wieder zu sinken beginnen. Die PRCs erlauben somit Rückschlüsse auf den Zeitpunkt der maximalen Peptidfreisetzung. PDF-ir Neuriten findet sich zudem in sämtlichen Ganglien des ventralen Strickleiternervensystems, was eine Funktion in der Kontrolle der Prozesse impliziert, die durch die Mustergeneratoren in Thorakal- und Abdominalganglien gesteuert werden.