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Anatomical and functional dissection of fruitless positive courtship circuit in Drosophila melanogaster

By Tianxiao Liu

Abstract

Angeborene Verhaltensweisen beruhen auf genetisch determinierten Verschaltungen im Nervensystem. Das bemerkenswerteste angeborene Verhaltensmuster von Drosophila melanogaster ist das Balzverhalten. Während der Balz verarbeiten männliche Fliegen vielfache sensorische Reize von weiblichen Fliegen. Wie kann das stereotyp verschaltete Nervensystem diese Reize wahrnehmen und prozessieren um darauf beruhend Entscheidungen über das Balzverhalten zu treffen?\ud Laut einem gängigen Modell bilden Neurone, die fruitless exprimieren (fru+ Neurone) einen spezifischen Schaltkreis für das Balzverhalten, dass für dieses unabkömmlich ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Bestandteile dieses neuronalen Schaltkreises anatomisch und funktional zu charakterisieren. Um ausgewählte fru+ Neurone zu manipulieren, wurde ein FLP-in System und eine neuartige Bibliothek von GAL4 Linien (VT Linien) verwendet und ein anatomischer Screen durchgeführt. Im Vergleich zu Enhancer Trap GAL4 Linien exprimieren VT Linien in kleineren Teilmengen der fru+ Neurone, was es möglich machte, verschiedene Klassen von fru+ Neuronen zu beschreiben und sie in den Schaltplan für das Balzverhalten einzufügen. \ud Für eine funktionelle Charakterisierung der fru+ Neurone wurden neuronale Aktivierungsscreens durchgeführt. Auf diese Weise wurden vier verschiedene Klassen von fru+ Neuronen identifiziert, die bei Aktivierung Balzgesang evozieren (P1, pIP10, dPR1 und vPR6) sowie die neuronale Klasse vMS11, die bei thermischer Aktivierung einseitige Flügelbewegung hervorruft. Die Inaktivierung dieser Neurone vermindert die Produktion von Balzgesang. Des Weiteren wurden sechs neuronale Klassen gefunden, die bei Aktivierung eine Krümmung des Abdomen induzieren (dAB4, dAB5, dAB8, dMT3, vAB2 und dAB7). Die Inaktivierung von dAB4 oder dAB5 hat keinen Einfluss auf die Intensität des Balzverhaltens, verhindert aber die Kopulation. Das weist darauf hin, dass dAB4 und dAB5 spezifisch für das Kopulationsverhalten benötigt werden. \ud Um fru+ Neurone ausfindig zu machen, die die Balzmotivation steuern, wurde ein thermischer Aktivierungsscreen in der Anwesenheit einer zweiten, als Balzobjekt dienenden männlichen Fliege durchgeführt. In diesem Screen wurden die neuronalen Klassen P1 und LAN1 gefunden, von denen bereits zuvor bekannt war, dass ihre Aktivierung an ein Männchen gerichtetes Balzverhalten hervorrufen kann. Zusätzlich wurden zwei Unterklassen von P1 (pMP4 und pMP4_1) und 4 andere Klassen von fru+ Neuronen (aSP2, pIP6, aSP21, aSP4) identifiziert, die an ein Männchen gerichtetes Balzverhalten auslösen, wenn sie aktiviert werden. Die Inaktivierung von P1 und aSP2 vermindern das Balzverhalten dramatisch, wohingegen die Inaktivierung der anderen neuronalen Klassen nur einen geringen oder keinen messbaren Einfluss auf das Balzverhalten hat. P1 und aSP2 sind Kandidaten für Sensorische Integration, die für das Balzverhalten benötigt werden. Die großen Überlappungsbereiche der Arborisierungen dieser Neurone im Hirn legt es nahe, dass sie miteinander verbunden sind und deutet darauf hin, dass sie möglicherweise sensorische Reize verarbeiten und integrieren.\ud In der vorliegenden Arbeit wurde ein verfeinerter und detaillierter anatomischer Schaltplan der fru+ Neuronen erstellt und Neurone identifiziert, die eine funktionelle Rolle für den Balzgesang, das Kopulationsverhalten und die Balzmotivation spielen. \udDrosophila melanogaster male display a complex innate behaviors, the courtship ritual.\ud Male flies initiates the following based on the sensory cues from females. During the courtship,\ud males extend their wing unilaterally and vibrate it to create the courtship song. In the end,\ud males attempt the copulation by bending his abdomen and succeed in copulation. What is the\ud neuronal basis for courtship?\ud Neurons that express the gene fruitless (fru+ neurons) are essential for courtship and\ud have been proposed to form courtship circuit. The aim of this study was to identify the\ud components of the courtship circuit anatomically and functionally. We used FLP-in system and\ud a new GAL4 library (Vienna Tile lines; VT lines) generated in the lab to target specific subsets of\ud fru+ neurons. We performed an anatomical screen with VT lines. We found that VT lines label\ud smaller subsets of fru+ neurons compared to enhancer trap GAL4 lines. The sparse labeling\ud with VT lines enabled us to indentify and characterize previously uninvestigated fru+ neurons\ud and extend the courtship circuit diagram.\ud In order to elucidate how the fru+ neurons are functionally involved in courtship, we\ud performed neuronal activation screens with isolated males. We identified four types of fru+\ud neurons (P1, pIP10, dPR1 and vPR6) that triggered courtship song and one type of fru+\ud neurons (vMS11) that triggered unilateral wing extension upon thermal activation. Neuronal\ud silencing of these neurons reduces the courtship song during courtship. Additionally, we\ud identified six types of fru+ neuron (dAB4, dAB5, dAB8, dMT3, vAB2, and dAB7) that trigger\ud edabdominal bending on activation. Neuronal silencing of dAB4 or dAB5 did not affect the\ud vigorousness of courtship but abolished copulation, suggesting their specific necessity for\ud copulation. We thus identified two groups of neurons involved in different steps of courtship\ud ritual, song production and copulation.\ud To identify the fru+ neurons that drive the courtship behavior, we performed a\ud thermal activation screen in the presence of a target male. We found P1 and LAN1 from this\ud screen which are known to trigger courtship toward target males on activation. In addition, we\ud found two subtypes of P1 (pMP4 and pMP4_1) and four other types of fru+ neurons (aSP2,\ud pIP6, aSP21, aSP4) that trigger courtship towards target males on activation. Silencing of P1 or\ud aSP2 reduced courtship dramatically, while the silencing of other identified neurons had either\ud minor impact or no impact on courtship. This suggests that P1 and aSP2 are necessary for\ud courtship and may play a role in integrating multiple sensory signals which are required for\ud courtship. The extensive overlap of these neurons in the brain suggests potential connections\ud and involvement in mediating and integrating sensory inputs.\ud Thus, in this study, we developed new tools providing restricted genetic access to\ud individual fru+ neurons and obtained a more detailed anatomical map of fru+ neurons.\ud Moreover, we identified fru+ neurons involved in specific courtship steps such as courtship\ud song and copulation. Another different approach allowed isolation of different types of fru+\ud neurons that promote the courtship behavior

Topics: 42.13 Molekularbiologie, Drosophila melanogaster / fruitless / Balzverhalten / Netzwerk, Drosophila melanogaster / fruitless / courtship / circuit
Year: 2012
OAI identifier: oai:othes.univie.ac.at:23103
Provided by: OTHES

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