Molecular and evolutionary analyses of formyl peptide receptors suggest the absence of VNO-specific FPRs in primates

Formyl peptide receptors (FPRs) were observed to expand in rodents and were recently suggested as candidate vomeronasal chemosensory receptors. Since vomeronasal chemosensory receptors usually underwent positive selection and evolved concordantly with the vomeronasal organ (VNO) morphology, we surveyed FPRs in primates in which VNO morphology is greatly diverse and thus it would provide us a clearer view of VNO-FPRs evolution. By screening available primate genome sequences, we obtained the FPR repertoires in representative primate species. As a result, we did not find FPR family size expansion in primates. Further analyses showed no evolutionary force variance between primates with or without VNO structure, which indicated that there was no functional divergence among primates FPRs. Our results suggest that primates lack the VNO-specific FPRs and the FPR expansion is not a common phenomenon in mammals outside rodent lineage, regardless of VNO complexity.

Optimisation of chemoenzymatic processes in asymmetric synthesis

This thesis describes the optimisation of chemoenzymatic methods in asymmetric synthesis. Modern synthetic organic chemistry has experienced an enormous growth in biocatalytic methodologies; enzymatic transformations and whole cell bioconversions have become generally accepted synthetic tools for asymmetric synthesis. Biocatalysts are exceptional catalysts, combining broad substrate scope with high regio-, enantio- and chemoselectivities enabling the resolution of organic substrates with superb efficiency and selectivity. In this study three biocatalytic applications in enantioselective synthesis were explored and perhaps the most significant outcome of this work is the excellent enantioselectivity achieved through optimisation of reaction conditions improving the synthetic utility of the biotransformations. In the first chapter a summary of literature discussing the stereochemical control of baker’s yeast (Saccharomyces Cerevisae) mediated reduction of ketones by the introduction of sulfur moieties is presented, and sets the work of Chapter 2 in context. The focus of the second chapter was the synthesis and biocatalytic resolution of (±)-trans-2-benzenesulfonyl-3-n-butylcyclopentanone. For the first time the practical limitations of this resolution have been addressed providing synthetically useful quantities of enantiopure synthons for application in the total synthesis of both enantiomers of 4-methyloctanoic acid, the aggregation pheromone of the rhinoceros beetles of the genus Oryctes. The unique aspect of this enantioselective synthesis was the overall regio- and enantioselective introduction of the methyl group to the octanoic acid chain. This work is part of an ongoing research programme in our group focussed on baker’s yeast mediated kinetic resolution of 2-keto sulfones. The third chapter describes hydrolase-catalysed kinetic resolutions leading to a series of 3-aryl alkanoic acids. Hydrolysis of the ethyl esters with a series of hydrolases was undertaken to identify biocatalysts that yield the corresponding acids in highly enantioenriched form. Contrary to literature reports where a complete disappearance of efficiency and, accordingly enantioselection, was described upon kinetic resolution of sterically demanding 3-arylalkanoic acids, the highest reported enantiopurities of these acids was achieved (up to >98% ee) in this study through optimisation of reaction conditions. Steric and electronic effects on the efficiency and enantioselectivity of the biocatalytic transformation were also explored. Furthermore, a novel approach to determine the absolute stereochemistry of the enantiopure 3-aryl alkanoic acids was investigated through combination of co-crystallisation and X-ray diffraction linked with chiral HPLC analysis. The fourth chapter was focused on the development of a biocatalytic protocol for the asymmetric Henry reaction. Efficient kinetic resolution in hydrolase-mediated transesterification of cis- and trans- β-nitrocyclohexanol derivatives was achieved. Combination of a base-catalysed intramolecular Henry reaction coupled with the hydrolase-mediated kinetic resolution with the view to selective acetylation of a single stereoisomer was investigated. While dynamic kinetic resolution in the intramolecular Henry was not achieved, significant progress in each of the individual elements was made and significantly the feasibility of this process has been demonstrated. The final chapter contains the full experimental details, including spectroscopic and analytical data of all compounds synthesised in this project, while details of chiral HPLC analysis are included in the appendix. The data for the crystal structures are contained in the attached CD.

Cryptococcal cell morphology affects host cell interactions and pathogenicity.

Cryptococcus neoformans is a common life-threatening human fungal pathogen. The size of cryptococcal cells is typically 5 to 10 microm. Cell enlargement was observed in vivo, producing cells up to 100 microm. These morphological changes in cell size affected pathogenicity via reducing phagocytosis by host mononuclear cells, increasing resistance to oxidative and nitrosative stress, and correlated with reduced penetration of the central nervous system. Cell enlargement was stimulated by coinfection with strains of opposite mating type, and ste3aDelta pheromone receptor mutant strains had reduced cell enlargement. Finally, analysis of DNA content in this novel cell type revealed that these enlarged cells were polyploid, uninucleate, and produced daughter cells in vivo. These results describe a novel mechanism by which C. neoformans evades host phagocytosis to allow survival of a subset of the population at early stages of infection. Thus, morphological changes play unique and specialized roles during infection.

Amino acid permeases require COPII components and the ER resident membrane protein Shr3p for packaging into transport vesicles in vitro.

In S. cerevisiae lacking SHR3, amino acid permeases specifically accumulate in membranes of the endoplasmic reticulum (ER) and fail to be transported to the plasma membrane. We examined the requirements of transport of the permeases from the ER to the Golgi in vitro. Addition of soluble COPII components (Sec23/24p, Sec13/31p, and Sar1p) to yeast membrane preparations generated vesicles containing the general amino acid permease. Gap1p, and the histidine permease, Hip1p. Shr3p was required for the packaging of Gap1p and Hip1p but was not itself incorporated into transport vesicles. In contrast, the packaging of the plasma membrane ATPase, Pma1p, and the soluble yeast pheromone precursor, glycosylated pro alpha factor, was independent of Shr3p. In addition, we show that integral membrane and soluble cargo colocalize in transport vesicles, indicating that different types of cargo are not segregated at an early step in secretion. Our data suggest that specific ancillary proteins in the ER membrane recruit subsets of integral membrane protein cargo into COPII transport vesicles.

Natural inspiration for self-adaptive systems

The emergent behaviour of autonomic systems, together with the scale of their deployment, impedes prediction of the full range of configuration and failure scenarios; thus it is not possible to devise management and recovery strategies to cover all possible outcomes. One solution to this problem is to embed self-managing and self-healing abilities into such applications. Traditional design approaches favour determinism, even when unnecessary. This can lead to conflicts between the non-functional requirements. Natural systems such as ant colonies have evolved cooperative, finely tuned emergent behaviours which allow the colonies to function at very large scale and to be very robust, although non-deterministic. Simple pheromone-exchange communication systems are highly efficient and are a major contribution to their success. This paper proposes that we look to natural systems for inspiration when designing architecture and communications strategies, and presents an election algorithm which encapsulates non-deterministic behaviour to achieve high scalability, robustness and stability.

Heterospecific mating and species recognition in the planktonic marine copepods Temora stylifera and T. longicornis

Many planktonic copepods use diffusible pheromone or hydromechanical signals to remotely detect the presence of potential mates. To determine whether these mating signals also play a role in species recognition and mate choice, we observed and video recorded (3D) mate-finding and pursuit behaviors in heterospecific and conspecific mating crosses in a pair of congeneric, partially sympatric species (Temora stylifera and T. longicornis) in the laboratory. The species appear to have asymmetrical pre-mating isolation, with T. longicornis males readily pursuing T. stylifera females to mate contact and capture, but with little mate-finding activity observed in the reverse cross. Males of T. longicornis pursuing heterospecific females executed a number of behaviors known to facilitate successful pheromone trail following and mate capture in conspecific mating, including accelerated swimming in a ‘signal-scanning’ mode to recover a lost pheromone trail, reversal of the tracking direction in cases when the male initiated tracking in the incorrect direction, and accelerated swimming speeds when in the presence of a pheromone signal but prior to locating the trail. Detailed analyses of mate-tracking behavior in T. longicornis male × T. stylifera female crosses gave no indication that males were aware they were pursuing heterospecific females prior to mate contact, indicating that diffusible pheromone and hydromechanical signals are not used, either singly or in combination, for species recognition in this mating pair. Heterospecific mating attempts among sympatric, congeneric copepods may commonly proceed to mate capture, and incur fitness costs to either or both mating partners.

Mating behavior and chemical communication in the order hymenoptera

Insects of the order Hymenoptera are biologically and economically important members of natural and agro ecosystems and exhibit diverse biologies, mating systems, and sex pheromones. We review what is known of their sex pheromone chemistry and function, paying particular emphasis to the Hymenoptera Aculeata (primarily ants, bees, and sphecid and vespid wasps), and provide a framework for the functional classification of their sex pheromones. Sex pheromones often comprise multicomponent blends derived from numerous exocrine tissues, including the cuticle. However, very few sex pheromones have been definitively characterized using bioassays, in part because of the behavioral sophistication of many Aculeata. The relative importance of species isolation versus sexual selection in shaping sex pheromone evolution is still unclear. Many species appear to discriminate among mates at the level of individual or kin/colony, and they use antiaphrodisiacs. Some orchids use hymenopteran sex pheromones to dupe males into performing pseudocopulation, with extreme species specificity.

Single mating in orchid bees (Euglossa, Apinae): implications for mate choice and social evolution

Neotropical orchid bees (Euglossini) are conspicuously different from other corbiculate bees (Apinae) in their lack of advanced sociality and in male use of acquired odors (fragrances) as pheromone-analogues. In both contexts, orchid bee mating systems, in particular the number of males a female mates with, are of great interest but are currently unknown. To assess female mating frequency in the genus Euglossa, we obtained nests from three species in Mexico and Panama and genotyped mothers and their brood at microsatellite DNA loci. In 26 out of 29 nests, genotypes of female brood were fully consistent with being descended from a singly mated mother. In nests with more than one adult female present, those adult females were frequently related, with genotypes being consistent with full sister-sister (r = 0.75) or mother-daughter (r = 0.5) relationships. Thus, our genetic data support the notions of female philopatry and nest-reuse in the genus Euglossa. Theoretically, single mating should promote the evolution of eusociality by maximizing the relatedness among individuals in a nest. However, in Euglossini this genetic incentive has not led to the formation of eusocial colonies as in other corbiculate bees, presumably due to differing ecological or physiological selective regimes. Finally, monandry in orchid bees is in agreement with the theory that females select a single best mate based on the male fragrance phenotype, which may contain information on male age, cognitive ability, and competitive strength.

Entomofauna associated with the olive tree in southern Portugal

Since 2004 several studies have been carried out in order to identify the main insect species that usually inhabiting the olive ecosystem. The field trials have taken place in two olive groves, one situated in Olhão and the other one in Loulé, both in Algarve and also under Integrated Pest Management (IPM). The sampling techniques used differ according to their purpose (sticky traps, pheromone traps, pitfall traps and samples of aerial parts of the trees such as inflorescences, leaves, fruits and branches). Results showed that the main insect pests of olive tree in southern Portugal were the olive fruit fly Bactrocera oleae Gmelin (Diptera: Tephritidae) and the olive moth Prays oleae Bernard (Lepidoptera: Hyponeumetidae). Other insect pests were also found in our olive groves namely the olive psyllid Euphyllura olivina Costa (Homoptera: Psyllidae), the olive dark beetle Phloeotribus scarabaeoides Bernard (Coleoptera: Curculionidae), the mediterranean black scale Saissetia oleae (Olivier) (Homoptera: Coccidae) and the olive thrip Liothripes oleae Costa (Thysanoptera: Phlaeothripidae). Concerning the auxiliary insects that were found in our olives groves they belong to the following orders and families: Diptera (Syrphidae), Coleoptera (Carabidae, Coccinelidae and Staphylinidae), Hemiptera (Anthocoridae and Miridae), Neuroptera (Chrysopidae) and Hymenoptera (Braconidae, Encyrtidae, Eulophidae, Formicidae and Trichogrammatidae).

Micromorphology of the labellum and structure of the osmophore in a group of closely related species of the sexually deceptive Orchid genus Ophrys (orchidaceae)

Tese de doutoramento, Biologia (Biologia Celular), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Effects of female postmating odour on male sexual behaviour, in Heliconius butterflies /

The effects of the female postmating odour on male sexual behaviour were examined in Heliconius erato and H. charithonia (Lepidoptera: Nymphalidae). Predictions from the antiaphrodisiac hypothesis were tested using the two reproductive strategies of these species. Within the pupal mating strategy, results from behavioural experiments quantified and statistically tested dispersal rates of pupal-perched males to the presence of stimuli with and without the postmating odour. Results do not support an antiaphrodisiac function to the postmating odour. Similarly, within the adult courtship strategy, behavioural test results indicate that males do not alter their expenditure of energy in terms of either the duration or frequency of courtship behaviours elicited by females with and without the postmating odour. The data from both experiments did not support the antiaphrodisiac hypothesis for the function of the female postmating odour. A novel hypothesis predicting that the postmating female odour acts as an oviposition-deterring pheromone is presented.

Molecular mechanisms for a switch-like mating decision in Saccharomyces cerevisiae

Les changements évolutifs nous instruisent sur les nombreuses innovations permettant à chaque organisme de maximiser ses aptitudes en choisissant le partenaire approprié, telles que les caractéristiques sexuelles secondaires, les patrons comportementaux, les attractifs chimiques et les mécanismes sensoriels y répondant. L'haploïde de la levure Saccharomyces cerevisiae distingue son partenaire en interprétant le gradient de la concentration d'une phéromone sécrétée par les partenaires potentiels grâce à un réseau de protéines signalétiques de type kinase activées par la mitose (MAPK). La décision de la liaison sexuelle chez la levure est un événement en "tout–ourien", à la manière d'un interrupteur. Les cellules haploïdes choisissent leur partenaire sexuel en fonction de la concentration de phéromones qu’il produit. Seul le partenaire à proximité sécrétant des concentrations de phéromones égales ou supérieures à une concentration critique est retenu. Les faibles signaux de phéromones sont attribués à des partenaires pouvant mener à des accouplements infructueux. Notre compréhension du mécanisme moléculaire contrôlant cet interrupteur de la décision d'accouplement reste encore mince. Dans le cadre de la présente thèse, je démontre que le mécanisme de décision de la liaison sexuelle provient de la compétition pour le contrôle de l'état de phosphorylation de quatre sites sur la protéine d'échafaudage Ste5, entre la MAPK, Fus3, et la phosphatase,Ptc1. Cette compétition résulte en la dissociation de type « intérupteur » entre Fus3 et Ste5, nécessaire à la prise de décision d'accouplement en "tout-ou-rien". Ainsi, la décision de la liaison sexuelle s'effectue à une étape précoce de la voie de réponse aux phéromones et se produit rapidement, peut-être dans le but de prévenir la perte d’un partenaire potentiel. Nous argumentons que l'architecture du circuit Fus3-Ste5-Ptc1 génère un mécanisme inédit d'ultrasensibilité, ressemblant à "l'ultrasensibilité d'ordre zéro", qui résiste aux variations de concentration de ces protéines. Cette robustesse assure que l'accouplement puisse se produire en dépit de la stochasticité cellulaire ou de variations génétiques entre individus.Je démontre, par la suite, qu'un évènement précoce en réponse aux signaux extracellulaires recrutant Ste5 à la membrane plasmique est également ultrasensible à l'augmentation de la concentration de phéromones et que cette ultrasensibilité est engendrée par la déphosphorylation de huit phosphosites en N-terminal sur Ste5 par la phosphatase Ptc1 lorsqu'elle est associée à Ste5 via la protéine polarisante, Bem1. L'interférence dans ce mécanisme provoque une perte de l'ultrasensibilité et réduit, du même coup, l'amplitude et la fidélité de la voie de réponse aux phéromones à la stimulation. Ces changements se reflètent en une réduction de la fidélité et de la précision de la morphologie attribuable à la réponse d'accouplement. La polarisation dans l'assemblage du complexe protéique à la surface de la membrane plasmique est un thème général persistant dans tous les organismes, de la bactérie à l'humain. Un tel complexe est en mesure d'accroître l'efficacité, la fidélité et la spécificité de la transmission du signal. L'ensemble de nos découvertes démontre que l'ultrasensibilité, la précision et la robustesse de la réponse aux phéromones découlent de la régulation de la phosphorylation stoichiométrique de deux groupes de phosphosites sur Ste5, par la phosphatase Ptc1, un groupe effectuant le recrutement ultrasensible de Ste5 à la membrane et un autre incitant la dissociation et l'activation ultrasensible de la MAPK terminal Fus3. Le rôle modulateur de Ste5 dans la décision de la destinée cellulaire étend le répertoire fonctionnel des protéines d'échafaudage bien au-delà de l'accessoire dans la spécificité et l'efficacité des traitements de l'information. La régulation de la dynamique des caractères signal-réponse à travers une telle régulation modulaire des groupes de phosphosites sur des protéines d'échafaudage combinées à l'assemblage à la membrane peut être un moyen général par lequel la polarisation du destin cellulaire est obtenue. Des mécanismes similaires peuvent contrôler les décisions cellulaires dans les organismes complexes et peuvent être compromis dans des dérèglements cellulaires, tel que le cancer. Finalement, sur un thème relié, je présente la découverte d'un nouveau mécanisme où le seuil de la concentration de phéromones est contrôlé par une voie sensorielle de nutriments, ajustant, de cette manière, le point prédéterminé dans lequel la quantité et la qualité des nutriments accessibles dans l'environnement déterminent le seuil à partir duquel la levure s'accouple. La sous-unité régulatrice de la kinase à protéine A (PKA),Bcy1, une composante clé du réseau signalétique du senseur aux nutriments, interagit directement avec la sous-unité α des petites protéines G, Gpa1, le premier effecteur dans le réseau de réponse aux phéromones. L'interaction Bcy1-Gpa1 est accrue lorsque la cellule croit en présence d'un sucre idéal, le glucose, diminuant la concentration seuil auquel la décision d'accouplement est activée. Compromettre l'interaction Bcy1-Gpa1 ou inactiver Bcy1 accroît la concentration seuil nécessaire à une réponse aux phéromones. Nous argumentons qu'en ajustant leur sensibilité, les levures peuvent intégrer le stimulus provenant des phéromones au niveau du glucose extracellulaire, priorisant la décision de survie dans un milieu pauvre ou continuer leur cycle sexuel en choisissant un accouplement.

Étude de la résistance aux antibiotiques des entérocoques d'origine animale du Québec

Les entérocoques font partie de la flore normale intestinale des animaux et des humains. Plusieurs études ont démontré que les entérocoques d’origine animale pouvaient représenter un réservoir de gènes de résistance aux antibiotiques pour la communauté humaine et animale. Les espèces Enterococcus faecalis et Enterococcus faecium sont importantes en santé publique; elles sont responsables d’environ 12% de toutes les infections nosocomiales aux États-Unis. Au Canada, les cas de colonisation et/ou d’infections à entérocoques résistants à la vancomycine ont plus que triplé de 2005 à 2009. Un total de 387 isolats E. faecalis et E. faecium aviaires, et 124 isolats E. faecalis porcins ont été identifiés et analysés pour leur susceptibilité aux antibiotiques. De hauts pourcentages de résistance envers les macrolides et les tétracyclines ont été observés tant chez les isolats aviaires que porcins. Deux profils phénotypiques prédominants ont été déterminés et analysés par PCR et séquençage pour la présence de gènes de résistance aux antibiotiques. Différentes combinaisons de gènes de résistance ont été identifiées dont erm(B) et tet(M) étant les plus prévalents. Des extractions plasmidiques et des analyses par hybridation ont permis de déterminer, pour la première fois, la colocalisation des gènes erm(B) et tet(M) sur un plasmide d’environ 9 kb chez des isolats E. faecalis porcins, et des gènes erm(B) et tet(O) sur un plasmide de faible poids moléculaire d’environ 11 kb chez des isolats E. faecalis aviaires. De plus, nous avons démontré, grâce à des essais conjugatifs, que ces plasmides pouvaient être transférés. Les résultats ont révélé que les entérocoques intestinaux aviaires et porcins, lesquels peuvent contaminer la viande à l’abattoir, pouvaient représenter un réservoir de gènes de résistance envers la quinupristine-dalfopristine, la bacitracine, la tétracycline et les macrolides. Afin d’évaluer l’utilisation d’un antisérum polyclonal SA dans l’interférence de la résistance à de fortes concentrations de bacitracine (gènes bcrRAB), lors d’un transfert conjugatif répondant aux phéromones, un isolat multirésistant E. faecalis aviaire a été sélectionné. Après induction avec des phéromones produites par la souche réceptrice E. faecalis JH2-2, l’agrégation de la souche donatrice E. faecalis 543 a été observée ainsi que des fréquences de transfert élevées en bouillon lors d’une courte période de conjugaison. Le transfert conjugatif des gènes asa1, traB et bcrRAB ainsi que leur colocalisation a été démontré chez le donneur et un transconjugant T543-1 sur un plasmide de 115 kb par électrophorèse à champs pulsé (PFGE) et hybridation. Une CMI de > 2 048 µg/ml envers la bacitracine a été obtenue tant chez le donneur que le transconjuguant tandis que la souche réceptrice JH2-2 démontrait une CMI de 32 µg/ml. Le séquençage des gènes asa1, codant pour la substance agrégative, et traB, une protéine régulant négativement la réponse aux phéromones, a révélé une association de cet élément génétique avec le plasmide pJM01. De plus, cette étude présente qu’un antisérum polyclonal SA peut interférer significativement dans le transfert horizontal d’un plasmide répondant aux phéromones codant pour de la résistance à de fortes doses de bacitracine d’une souche E. faecalis aviaire multirésistante. Des isolats cliniques E. faecium d’origine humaine et canine ont été analysés et comparés. Cette étude rapporte, pour la première fois, la caractérisation d’isolats cliniques E. faecium résistants à l’ampicilline (EFRA) d’origine canine associés à CC17 (ST17) au Canada. Ces isolats étaient résistants à la ciprofloxacine et à la lincomycine. Leur résistance envers la ciprofloxacine a été confirmée par la présence de substitutions dans la séquence en acides aminés des gènes de l’ADN gyrase (gyrA/gyrB) et de la topoisomérase IV (parC/parE). Des résistances élevées envers la gentamicine, la kanamycine et la streptomycine, et de la résistance envers les macrolides et les lincosamides a également été observées. La fréquence de résistance envers la tétracycline était élevée tandis que celle envers la vancomycine n’a pas été détectée. De plus, aucune résistance n’a été observée envers le linézolide et la quinupristine-dalfopristine. Les données ont démontré une absence complète des gènes esp (protéine de surface des entérocoques) et hyl (hyaluronidase) chez les isolats canins EFRA testés tandis qu’ils possédaient tous le gène acm (adhésine de liaison au collagène d’E. faecium). Aucune activité reliée à la formation de biofilm ou la présence d’éléments CRISPR (loci de courtes répétitions palindromiques à interespaces réguliers) n’a été identifiée chez les isolats canins EFRA. Les familles de plasmide rep6 and rep11 ont significativement été associées aux isolats d’origine canine. Les profils PFGE des isolats d’origine humaine et canine n'ont révélé aucune relation (≤ 80%). Ces résultats illustrent l'importance d'une utilisation judicieuse des antibiotiques en médecine vétérinaire afin d’éviter la dissémination zoonotique des isolats EFRA canins. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes de résistance aux antibiotiques et de leurs éléments mobiles ainsi qu’à de nouvelles stratégies afin de réduire le transfert horizontal de la résistance aux antibiotiques et des facteurs de virulence.

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.

Electrophysiological analysis of the olfactory signal transduction cascade in the hawkmoth Manduca sexta

Neben der Verbreitung von gefährlichen Krankheiten sind Insekten für enorme agrarwirtschaftliche Schäden verantwortlich. Ein Großteil der Verhaltensweisen bei Insekten wird über den Geruchssinn gesteuert, der somit einen möglichen Angriffspunkt zur Bekämpfung von Schadinsekten darstellt. Hierzu ist es allerdings nötig, die Mechanismen der olfaktorischen Signalübertragung im Detail zu verstehen. Neben den duftstoffbindenden olfaktorischen Rezeptoren spielt hier auch ein konservierter Korezeptor (Orco) eine entscheidende Rolle. Inwieweit bei diesen Proteinen ionotrope bzw. metabotrope Prozesse involviert sind ist bislang nicht vollständig aufgeklärt. Um weitere Einzelheiten aufzuklären wurden daher Einzelsensillenableitungen am Tabakschwärmer Manduca sexta durchgeführt. Orco-Agonisten und Antagonisten wurden eingesetzt, um die Funktion des Korezeptors besser zu verstehen. Bei dem Einsatz des Orco-Agonisten VUAA1 konnte keine Verstärkung der Pheromonantworten bzw. eine Sensitivierung beobachtet werden, wie im Falle einer ionotropen Signalweiterleitung zu erwarten gewesen wäre. Ein ionotroper Signalweg über den OR/Orco-Komplex in M. sexta ist daher unwahrscheinlich. Der Orco-Antagonist OLC15 beeinflusste die gleichen Parameter wie VUAA1 und konnte die von VUAA1 generierte Spontanaktivität blocken. Daher ist es wahrscheinlich, dass dieser einen spezifischen Orco-Blocker darstellt. Sowohl VUAA1 als auch OLC15 hatten großen Effekt auf die langanhaltende Pheromonantwort, welches die Vermutung nahelegt, dass Orco modulierend auf die Sensitivität der Nervenzelle einwirkt. Von OLC15 abweichende Effekte durch die getesteten Amiloride HMA und MIA auf die Pheromonantwort lassen nicht auf eine spezifische Wirkung dieser Agenzien auf Orco schließen und zusätzliche Wirkorte sind anzunehmen. Um die These eines metabotropen Signalwegs zu überprüfen wurde ebenfalls der G-Protein-Blocker GDP-β-S eingesetzt. Alle Parameter der Pheromonantwort die innerhalb der ersten Millisekunden analysiert wurden wiesen eine Reduktion der Sensitivität auf. Im Gegensatz dazu hatte GDP-β-S keinen Effekt auf die langanhaltende Pheromonantwort. Somit scheint ausschließlich die schnelle Pheromonantwort über einen Ligand-bindenden G-Protein-gesteuerten Rezeptor gesteuert zu werden.