Christa Kistenpfennig

• Many organisms evolved an endogenous clock to adapt to the daily environmental changes caused by the earth’s rotation. Light is the primary time cue (“Zeitgeber”) for entrainment of circadian clocks to the external 24-h day. In Drosophila, several visual pigments are known to mediate synchronization to light: The blue-light photopigment Cryptochrome (CRY) and six well-described rhodopsins (Rh1-Rh6). CRY is present in the majority of clock neurons as well as in the compound eyes, whereas the location of rhodopsins is restricted to theMany organisms evolved an endogenous clock to adapt to the daily environmental changes caused by the earth’s rotation. Light is the primary time cue (“Zeitgeber”) for entrainment of circadian clocks to the external 24-h day. In Drosophila, several visual pigments are known to mediate synchronization to light: The blue-light photopigment Cryptochrome (CRY) and six well-described rhodopsins (Rh1-Rh6). CRY is present in the majority of clock neurons as well as in the compound eyes, whereas the location of rhodopsins is restricted to the photoreceptive organs – the compound eyes, the ocelli and the HB-eyelets. CRY is thought to represent the key photoreceptor of Drosophila’s circadian clock. Nevertheless, mutant flies lacking CRY (cry01) are able to synchronize their locomotor activity rhythms to light-dark (LD) cycles, but need significantly longer than wild-type flies. In this behavior, cry01 mutants strongly resemble mammalian species that do not possess any internal photoreceptors and perceive light information exclusively through their photoreceptive organs (eyes). Thus, a mammalian-like phase-shifting behavior would be expected in cry01 flies. We investigated this issue by monitoring a phase response curve (PRC) of cry01 and wild-type flies to 1-h light pulses of 1000 lux irradiance. Indeed, cry01 mutants produced a mammalian-similar so called type 1 PRC of comparatively low amplitude (< 25% of wild-type) with phase delays to light pulses during the early subjective night and phase advances to light pulses during the late subjective night (~1 h each). Despite the predominant role of CRY, the visual system contributes to the light sensitivity of the fly’s circadian clock, mainly around dawn and dusk. Furthermore, this phase shifting allows for the slow re-entrainment which we observed in cry01 mutants to 8-h phase delays of the LD 12 h:12 h cycle. However, cry01 also showed surprising differences in their shifting ability: First of all, their PRC was characterized by a second dead zone in the middle of the subjective night (ZT17-ZT19) in addition to the usual unresponsiveness during the subjective day. Second, in contrast to wild-type flies, cry01 mutants did not increase their shift of activity rhythms neither in response to longer stimuli nor to light pulses of higher irradiance. In contrast, both 6-h light pulses of 1000 lux and 1-h light pulses of 10,000 lux light intensity during the early subjective night even resulted in phase advances instead of the expected delays. Thus, CRY seems to be not only responsible for the high light sensitivity of the wild-type circadian clock, but is apparently also involved in integrating and processing light information. Rhodopsin 7 (Rh7) is a yet uncharacterized protein, but became a good photoreceptor candidate due to sequence similarities to the six known Drosophila Rhs. The second part of this thesis investigated the expression pattern of Rh7 and its possible functions, especially in circadian photoreception. Furthermore, we were interested in a potential interaction with CRY and thus, tested cry01 and rh70 cry01 mutants as well. Rh1 is the main visual pigment of the Drosophila compound eye and expressed in six out of eight photoreceptors cells (R1-R6) in each of the ~800 ommatidia. Motion vision depends exclusively on Rh1 function but, moreover, Rh1 plays an important structural role and assures proper photoreceptor cell development and maintenance. In order to investigate its possible photoreceptive function, we expressed Rh7 in place of Rh1. Rh7 was indeed able to overtake the role of Rh1 in both aspects: It prevented retinal degeneration and mediated the optomotor response (OR), a motion vision-dependent behavior. At the transcriptional level, rh7 is expressed at approximately equal amounts in adult fly brains and retinas. Due to a reduced specificity of anti-Rh7 antibodies, we could not verify this result at the protein level. However, analysis of rh7 null mutants (rh70) suggested different Rh7 functions in vivo. Previous experiments strongly indicated an increased sensitivity of the compound eyes in the absence of Rh7 and suggested impaired light adaptation. We aimed to test this hypothesis at the levels of circadian photoreception. Locomotor activity rhythms are a reliable output of the circadian clock. Rh70 mutant flies generally displayed a wild-type similar bimodal activity pattern comprising morning (M) and evening (E) activity bouts. Activity monitoring supported the proposed “shielding” function, since rh70 mutants behaved like wild-type flies experiencing high irradiances. Under all investigated conditions, their activity peaks lay further apart resulting in a prolonged midday break. The behavior of cry01 mutants was mainly characterized by an unexpectedly high flexibility in the timing of M and E activity bouts which allowed tracking of lights-on and lights-off even under extreme photoperiods. Activity profiles of the corresponding rh70 cry01 double mutants reflected neither synergistic nor antagonistic effects of Rh7 and CRY and were dominated by a broad E activity peak. In the future, the different circadian phenotypes will be further investigated on the molecular level by analysis of clock protein cycling in the underlying pacemaker neurons. The work of this thesis confirmed that Rh7 is indeed able to work as a photoreceptor and to initiate the classical phototransduction cascade. On the other hand, it provided further evidence at the levels of circadian photoreception that Rh7 might serve as a shielding pigment for Rh1 in vivo, thereby mediating proper light adaptation.…
• Viele Lebewesen haben eine endogene (circadiane) Uhr entwickelt, um sich an die im 24-Stunden-Rhythmus variierenden Umweltbedingungen anzupassen, die auf der Erdrotation beruhen. Zur Synchronisation auf den externen 24-Stunden-Tag nutzen circadiane Uhren in erster Linie Licht als Zeitgeber. An dieser Lichtsynchronisation sind bei Drosophila nachweislich eine Reihe von Sehpigmenten, der Blaulicht Photorezeptor Cryptochrom (CRY) sowie sechs bekannte Rhodopsine (Rh1-Rh6), beteiligt. CRY ist sowohl in der Mehrheit der Uhrneuronen als auch in denViele Lebewesen haben eine endogene (circadiane) Uhr entwickelt, um sich an die im 24-Stunden-Rhythmus variierenden Umweltbedingungen anzupassen, die auf der Erdrotation beruhen. Zur Synchronisation auf den externen 24-Stunden-Tag nutzen circadiane Uhren in erster Linie Licht als Zeitgeber. An dieser Lichtsynchronisation sind bei Drosophila nachweislich eine Reihe von Sehpigmenten, der Blaulicht Photorezeptor Cryptochrom (CRY) sowie sechs bekannte Rhodopsine (Rh1-Rh6), beteiligt. CRY ist sowohl in der Mehrheit der Uhrneuronen als auch in den Komplexaugen zu finden. Die Lokalisation der Rhodopsine ist im Gegensatz dazu auf die Photorezeptoren – die Komplexaugen, die Ocellen und die HB-Äuglein – beschränkt. CRY gilt als der entscheidende Photorezeptor in der circadianen Uhr von Drosophila. Zwar können Mutanten, die kein CRY besitzen (cry01), ihre Laufaktivitätsrhythmen durch Licht-Dunkel-Zyklen synchronisieren, jedoch brauchen sie dafür mehrere Tage und damit erheblich länger als wildtypische Fliegen. In diesem Verhalten ähneln cry01-Mutanten den Säugetieren, die nicht über interne Photorezeptoren verfügen und Licht somit ausschließlich über ihre Lichtsinnesorgane (Augen) wahrnehmen. Demnach wären bei cry01-Fliegen säugetierähnliche Phasenverschiebungen des Laufaktivitäts-rhythmus auf Lichtpulse zu erwarten. Um diesen Sachverhalt zu untersuchen, wurde sowohl für cry01-Mutanten als auch für Wildtyp-Fliegen eine Phasenresponsekurve (PRC) aufgezeichnet, wobei einstündige Lichtpulse mit einer Intensität von 1000 lux als Stimulus dienten. Wir erhielten für die cry01-Mutanten tatsächlich eine säugetierähnliche PRC, welche auch als so genannte Typ 1 PRC bezeichnet wird und sich durch eine im Vergleich zum Wildtyp verringerte Amplitude (< 25%) auszeichnete. Die dabei beobachteten maximalen Phasenverschiebungen betrugen ungefähr eine Stunde. Dies galt sowohl für Lichtpulse, die in der ersten Hälfte der subjektiven Nacht gegeben wurden und die Laufaktivität verzögerten (nach hinten verschoben), als auch für Lichtpulse, die in der zweiten Hälfte der subjektiven Nacht gegeben wurden und die Laufaktivität beschleunigten (nach vorne verschoben). Die für cry01-Mutanten ermittelten Reaktionen auf einstündige Lichtpulse erklären die langsame Resynchronisation der Mutanten auf Phasenverschiebungen des Licht-Dunkel-Zyklus (LD-Zyklus). Allerdings zeigte die PRC von cry01-Mutanten auch überraschende Besonderheiten, die bisher für kein Tier berichtet wurden. Üblicherweise hat eine PRC eine so genannte „Tot-Zone“ am subjektiven Tag, d. h. die Tiere reagieren nicht auf Lichtreize, die während des subjektiven Tages verabreicht werden. Die PRC der cry01-Mutanten zeichnete sich durch eine zweite solche Tot-Zone in der Mitte der subjektiven Nacht (ZT17-ZT19) aus. Außerdem konnten die Phasenverschiebungen in cry01-Mutanten weder durch eine Verlängerung noch durch eine Verstärkung des Reizes gesteigert werden. Dies steht im Gegensatz zu wildtypischen Fliegen und anderen Tieren, deren PRC dosisabhängig ist. Bei cry01-Mutanten riefen dagegen sowohl sechsstündige Lichtpulse der zuvor verwendeten Intensität (1000 lux) als auch einstündige Lichtpulse hoher Intensität (10.000 lux) sogar gegenteilige Effekte auf die Phasenverschiebung hervor. Die cry01-Mutanten reagierten auf den Stimulus, der jeweils in der ersten Nachthälfte einsetzte, unter beiden Bedingungen mit einer Vorverschiebung ihres Aktivitätsrhythmus anstatt mit der eigentlich erwarteten Verzögerung. Obwohl CRY sicher die wichtigste Rolle einnimmt, trägt auch das visuelle System zur Lichtsensitivität und Synchronisation der inneren Uhr der Fliege bei. Dies ist vor allem morgens und abends in der Dämmerung der Fall. Cry01-Mutanten reagierten auf Lichtpulse, die morgens oder abends gegeben wurden, mit den oben beschriebenen einstündigen Phasenverschiebungen. Dies reicht aus, um die Aktivität der Fliegen auf einen Licht-Dunkel-Zyklus zu synchronisieren. Rhodopsin 7 (Rh7) ist ein noch nahezu unbeschriebenes Protein, das Ähnlichkeiten in seiner Aminosäuresequenz zu den bereits bekannten Drosophila-Rhodopsinen besitzt und daher als potentieller neuer Photorezeptor betrachtet wird. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem Expressionsmuster sowie den möglichen Funktionen von Rh7, insbesondere in der circadianen Photorezeption. Darüber hinaus wurden rh70 cry01-Doppelmutanten getestet, um eine eventuelle Interaktion zwischen Rh7 und CRY zu untersuchen. Rh1, das in jeweils sechs von acht Photorezeptorzellen (R1-R6) der insgesamt rund 800 Ommatidien exprimiert wird, stellt das häufigste Photopigment im Komplexauge von Drosophila dar. Zum einen vermittelt Rh1 die Wahrnehmung von Bewegungen, zum anderen besitzt es wichtige strukturelle Aufgaben, da es sowohl eine normale Entwicklung der Photorezeptorzellen als auch deren Erhaltung gewährleistet. Um eine mögliche Beteiligung in der Lichtwahrnehmung zu untersuchen, wurde Rh7 anstelle von Rh1 exprimiert. Rh7 konnte in der Tat Rh1 unter beiden Aspekten ersetzen. Seine Expression verhinderte nicht nur die Degeneration der Retina, sondern ermöglichte zudem optomotorische Reaktionen, die auf einem intakten Bewegungssehen beruhen. In adulten Fliegen wird Rh7 auf Ebene der Transkription in vergleichbaren Mengen im Gehirn und in der Retina exprimiert. Aufgrund der geringen Spezifität der anti-Rh7 Antikörper konnte dieses Ergebnis leider nicht auf Proteinebene bestätigt werden. Die Untersuchung von rh7-Knockout-Mutanten (rh70) befürwortete jedoch eine alternative Funktion von Rh7 in vivo. In vorangegangenen Versuchen führte der Verlust von Rh7 zu einer gesteigerten Sensitivität der Komplexaugen, was wahrscheinlich auf einer verminderten Lichtadaptation beruhte. Wir versuchten diese Hypothese auf Ebene der circadianen Photorezeption zu überprüfen und zeichneten dazu die Laufaktivität der Fliegen auf, da ihr Aktivitätsrhythmus einen verlässlichen Output der circadianen Uhr darstellt. Grundsätzlich wiesen die rh70-Mutanten das für Wildtyp-Fliegen typische bimodale Aktivitätsmuster auf, das sich durch zwei Aktivitätsmaxima auszeichnet, die entsprechend ihrer Lage als Morgen- beziehungsweise Abendaktivitätsgipfel bezeichnet werden. Dabei wurde beobachtet, dass sich rh70-Mutanten wie Wildtyp-Fliegen verhalten, die hohen Lichtintensitäten ausgesetzt sind. So zeigte deren Aktivitätsrhythmus unter allen Versuchsbedingungen eine verlängerte Mittagspause, die durch einen großen Abstand zwischen den beiden Aktivitätsmaxima hervorgerufen wurde. Durch diese Versuche wurde die Hypothese, dass Rh7 als eine Art Schirmpigment wirken könnte, auf Verhaltensebene bestätigt. Das Verhalten der cry01-Fliegen zeichnete sich im Wesentlichen durch eine unerwartet hohe Flexibilität der beiden Aktivitätsmaxima aus. Diese konnten auch unter extremen Photoperioden an die Übergänge von Licht und Dunkelheit gekoppelt werden. Der Aktivitätsrhythmus der entsprechenden rh70 cry01-Doppelmutanten wurde durch eine ausgeprägte Abendaktivität bestimmt und erlaubte es nicht, Rückschlüsse auf eine synergistische oder antagonistische Wirkung von Rh7 und CRY zu ziehen. Zukünftige Versuche könnten die verschiedenen circadianen Phänotypen auf molekularer Ebene charakterisieren, z. B. durch Untersuchung der Oszillationen der Uhrproteine in den verantwortlichen Schrittmacher-Neuronen. Zum einen konnten die Versuche dieser Arbeit bestätigen, dass Rh7 in der Tat über die klassische Phototransduktionskaskade als Photorezeptor wirken kann. Darüber hinaus wurden auf Ebene der circadianen Photorezeption weitere Anzeichen für eine alternative in vivo Funktion von Rh7 gesammelt. Diese sprechen für eine Rolle von Rh7 als Schirmpigment für Rh1, wodurch Rh7 an der einwandfreien Lichtadaptation beteiligt wäre.…