Detailed analyses of mutations affecting structural formation of neuromuscular synapses in Drosophila melanogaster

The establishment of appropriate synapses between neurons and their target cells is an essential requirement for the formation of functional neuronal circuits. However, there is very little insight into the mechanisms underlying de novo formation of synapses and synaptic terminals. To identify novel genes involved in signalling or structural aspects of these processes I capitalised on possibilities provided by the model organism Drosophila. Thus, I contributed to a screen of a collection of third chromosomal mutations (Salzberg et al., 1997, Genetics 147, 1723ff.) selecting those mutant strains displaying structural defects of Drosophila neuromuscular junctions (NMJ). Carrying out genetic mapping experiments, I could assign 7 genes to interesting candidate mutations. All 7 mutations selected in this process cause size alterations of the embryonic NMJ, and one shows additional disturbances in the distribution of synaptic markers. 4 of these turned out to be transcription factors, not falling into the remit of this project. Only for one of these, the neuronal transcription factor Castor, I could show that its overgrown mutant NMJ phenotype is due to an increase in the number of motorneurons. The remaining genes encode a potential nitrophenylphosphatase, the translation initiation factor eIF4AIII, and a novel protein Waharan. Unfortunately, the nitophenylphosphatase gene was identified too late to carry out functional studies in the context of this project, but potential roles are discussed. eIF4AIII promotes NMJ size tempting to speculate that local translation at the NMJ is affected. I found that the synaptic scaffolding molecule Discs large (Dlg; orthologue of PSD95) is upregulated at eIF4AIII mutant NMJs. Targeted upregulation of Dlg can not mimic the eIF4AIII mutant phenotype, but dlg mutations suppress it. Therefore, Dlg function is required but not sufficient in this context. My findings are discussed in detail, pointing out future directions. The main focus of this work is the completely novel gene waharan (wah), an orthologue of the human gene KIAA1267 encoding a big brain protein of likewise unknown structure and function. My studies show that mutations or RNAi knock-down of wah cause NMJ overgrowth and reveal additional crucial roles in the patterning of wing imginal discs. RNAi studies suggest Wah to be required pre- and postsynaptically at NMJs and, consistently, wah is transcribed in the nervous system and muscles. Anti-Wah antisera were produced but could no longer be tested here, but preliminary studies with newly generated HA-targeted constructs suggest that Wah localises at NMJs and in neuronal nuclei. In silico analyses predict Wah to be structurally related to the Rad23-family of proteins, likely to target ubiquitinated proteins to the proteasome for degradation (Chen et al., 2002, Mol Cell Biol 22, 4902ff.) . In agreement with this prediction, poly-ubiquitinated proteins were found to accumulate in the absence of wah function, and wah-like mutant phenotypes were induced in NMJs and wing discs by knocking down proteasome function. My analysis further revealed that poly-ubiquitinated proteins are reduced in nuclei of wah mutant neurons and muscles, suggesting that Wah may play additional roles in ubiquitin-mediated nuclear import. Taken together, this study has uncovered a number of interesting candidate genes required for the de novo formation of Drosophila NMJs. 3 of these genes fell into the focus of this project. As discussed in detail, discovery of these genes and insights gained into their function have high potential to be translatable into vertebrate systems.

Neuroglobin, Cytoglobin und Myoglobin in der Blindmaus Spalax ehrenbergi: Adaptation an „unterirdische Verhältnisse“

Hypoxie ist ein Zustand des Sauerstoffmangels, hervorgerufen durch fehlende Verfügbarkeit von Sauerstoff in der Umgebung eines Organismus oder durch pathologisch bedingte unzureichende Nutzbarkeit des Sauerstoffs von Geweben. Die Sensitivität gegenüber Hypoxie variiert enorm im Tierreich zwischen verschiedenen Phyla und Spezies. Die meisten Säugetiere sind nur unzureichend an niedrige Sauerstoffkonzentrationen angepasst, wohingegen einige unterirdisch lebende Säuger sehr resistent gegen Hypoxiestress sind. Um die molekulare Basis der Hypoxietoleranz zu bestimmen, wurden in der vorliegenden Arbeit Globine untersucht, die potenziell in der Lage sind, als respiratorische Proteine zur Hypoxietoleranz von Tieren beizutragen. Dazu wurde die Expression der Globine in der hypoxieresistenten, in Israel lebenden Blindmaus Spalax ehrenbergi mit der Genexpression in der hypoxiesensitiven Ratte (Rattus norvegicus) verglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden die erst vor wenigen Jahren entdeckten Globine Neuroglobin und Cytoglobin untersucht, deren exakte physiologische Rolle noch unklar ist, und mit Daten des viel detaillierter untersuchten Myoglobins verglichen. Beim Vergleich der Expression von Cytoglobin und Neuroglobin in Spalax versus Ratte fällt auf, dass Neuroglobin und Cytoglobin bereits unter normoxischen Bedingungen auf mRNA- und Proteinebene in der Blindmaus um einen Faktor von mindesten 2 bis 3 verstärkt exprimiert werden. Bei Myoglobin (als dem Kontrollgen mit bekannter Funktion) konnte auf mRNA-Ebene eine noch weitaus stärkere Expression in Spalax vs. Ratte gefunden werden. Das übergreifende Phänomen der verstärkten Genexpression von Globinen in Spalax kann im Sinne einer Präadaptation an das unterirdische, häufig hypoxische Leben der Blindmaus interpretiert werden. Einen weiteren Hinweis auf eine besondere, spezialisierte Funktion von Neuroglobin in Spalax geben immunhistochemische Daten, die zeigen, dass Neuroglobin im Gehirn von Spalax im Gegensatz zur Ratte nicht nur in Neuronen, sondern auch in Gliazellen exprimiert wird. Dies impliziert Änderungen des oxidativen Stoffwechsels im Nervensystem der hypoxietoleranten Spezies. Die zellulären Expressionsmuster von Cytoglobin erscheinen hingegen in beiden Säugerspezies weitgehend identisch. Es wurde der Frage nachgegangen, ob und wie experimentell induzierte Hypoxie die Genexpression der Globine verändert. Dabei zeigten sich für Neuroglobin und Cytoglobin unterschiedliche Expressionsmuster. Neuroglobin wird unter diversen Sauerstoffmangelbedingungen sowohl in der Ratte als auch in Spalax auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert. Ein ähnliches Regulationsverhalten wurde auch für Myoglobin beobachtet. Die verminderte Expression von Neuroglobin (und evtl. auch Myoglobin) unter Hypoxie ist mit einer gezielten Verringerung der Sauerstoff-Speicherkapazität in Abwesenheit von O2 zu erklären. Ein weiterer denkbarer Grund könnte auch die allgemeine Tendenz sein, unter Hypoxie aus Energiespargründen den Metabolismus herunter zu regulieren. Cytoglobin, das bei normalen Sauerstoffbedingungen nur im Gehirn von Spalax (nicht jedoch in Herz und Leber) ebenfalls um Faktor 2 bis 3 stärker exprimiert wird als in der Ratte, ist mit einiger Sicherheit ebenfalls von adaptivem Nutzen für die Anpassung von Spalax an niedrige Sauerstoffbedingungen, wenngleich seine Funktion unklar bleibt. Unter Hypoxie wird die Cytoglobin-mRNA sowohl in Spalax als auch in der Ratte hochreguliert. Es konnte in der vorliegenden Arbeit dargelegt werden, dass die Expression von Cygb höchstwahrscheinlich durch den Transkriptionsfaktor Hif-1 gesteuert wird, der die molekulare Hypoxieantwort vieler Tierarten zentral steuert. In der vorliegenden Arbeit wurde ebenfalls die Expression von Ngb und Cygb im Gehirn des Hausschweins (Sus scrofa) untersucht. Diese Spezies diente in der Arbeit als weiterer hypoxiesensitiver Organismus sowie als biomedizinisch relevantes Modell für eine Operation an Säuglingen mit angeborenen Herzkrankheiten. Die Versuche haben gezeigt, dass die Gabe bestimmter Medikamente wie dem Immunsuppressivum FK506 zu einer erhöhten Ngb-Konzentration auf mRNA-Ebene führen kann, was potenziell im Zusammenhang mit beobachteten protektiven Effekten der Medikamentengabe während und nach der Herzoperation steht.