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Finding an optimum
deconstructing the oxygen sensing neuronal network of Caenorhabditis elegans
Michael Sonntag
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Manuel Zimmer
DOI
10.25365/thesis.33123
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30227.88420.425261-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans ist in der Lage die Sauerstoffkonzentration seiner Umgebung wahrzunehmen. Er vermeidet sowohl atmospherische wie hypoxische Sauerstoffkonzentrationen und sucht aktiv Konzentrationen um die 16%, nachdem diese mit seinen bakteriellen Nahrungsquellen assoziiert sind.
Bisher wurde nicht untersucht, wie C. elegans in der Lage ist, diese Konzentrationen zu identifizieren. C. elegans weist vier Hauptklassen an Neuronen auf, die für die Wahrnehmung von Sauerstoff zuständig und für aerotaktisches Verhalten notwendig sind. BAG Neuronen nehmen Abnahme, URX, AQR und PQR Neuronen Zunahme in der Sauerstoffkonzentration wahr. Die Öffnungen der Neuronen BAG, URX und AQR befinden sich am Kopf, die Öffnungen des Neurons PQR in der Schwanzregion des Fadenwurms. C. elegans müsste dadurch in der in der Lage sein, auch Sauerstoffkonzentrationsänderungen entlang des Körpers und dadurch effizent Änderungen während seiner Fortbewegung wahrzunehmen, um eine ideale Sauerstoffkonzentration zu erkennen und sich dort hinzubewegen. Verhaltensexperimente von Wurmpopulationen mit Wildtyp und Mutanten im Labor von Manuel Zimmer in zeigten, das Neuropeptide eine essentielle Rolle im aerotaktischen Verhalten und dem Auffinden der bevorzugten Sauerstoffkonzentration spielen. Diese Experimente führten zu zwei grundsätzlichen Fragen. Erstens, ist die Aktivität der sensorischen Neuronen alleine ausreichend, um bevorzugte Sauerstoffkonzentrationen zu identifizieren. Zweitens welche Neuropeptide sind essentiell, um die Information von den sensorischen Neuronen durch das neuronale Netzwerk in sinnvolles Verhalten umzusetzen bzw. wo im Netzwerk sind diese Neuropeptide notwendig.
Calcium imaging der sensorischen Neuronen BAG und URX zeigte, dass die gemeinsame Aktivität dieser beiden Neuronen ausreichend ist, um die bevorzugte Sauerstoffkonzentration zu identifizieren. Weiters konnte gezeigt werden, das Neuropeptide für diese Identifikation nicht notwendig sind.
Um die zweite Fragestellung zu beantworten, wurden Aufnahmen von Mutanten, Rescue und Cell Kill lines in Experimenten mit sich ändernder Sauerstoffkonzentration quantitativ ausgewertet. Die bis zu diesem Zeitpunkt verwendete Analysesoftware war für die Auswertung nicht geeignet und wurde daher teils optimiert, teils vollständig neu programmiert. Die Analyse der durchgeführten Verhaltensexperimente konnte zeigen, dass die unterschiedlichen Verhaltensmuster als Reaktion auf eine sich ändernde Sauerstoffumgebung auf einer Balance multipler Neuropeptide basiert wobei wiederum jedes Verhaltensmuster unterschiedliche Neuropeptide benötigt. Die Analyse war in der Lage, eine Liste an Neuropeptidkandidaten für die verschiedenen Verhaltensmuster zu liefern.
Zusätzlich zeigte die Studie, dass in Reaktion auf Änderungen in der Sauerstoffkonzentration der Umgebung zwei unterschiedliche Aktivitätsmuster im Nervensystem kodiert werden. Das erste Muster ist unabhängig von Neuropeptiden und führt nach einer Änderung in der Sauerstoffkonzentration zu einem sofortigen, starken Anstieg in Verhaltensmustern die mit Fluchtverhalten in Verbindung gebracht werden. In Anwesenheit von Neuropeptiden wird diese erste Reaktion überlagert, wenn die Änderungen in der Sauerstoffkonzentration nur gradueller Natur sind. Erst durch Neuropeptide sind Tiere in der Lage, graduell auf Änderungen in der Sauerstoffkonzentration zu reagieren und ihr Verhalten optimal zu regulieren. Die Interpretation der Ergebnisse legt nahe, dass es erst diese fein ausbalancierten Regulierungen durch Neuropeptide sind, die es C. elegans ermöglichen bevorzugte Sauerstoffkonzentrationen zu erreichen und dort zu verweilen.
Abstract
(Englisch)
The soil nematode Caenorhabditis elegans is able to sense environmental oxygen. It avoids atmospheric as well as hypoxic oxygen levels and actively seeks intermediate levels of around 16% which are associated with the presence of microbial food sources. So far it has not been addressed, how C. elegans is able to identify and stay at these intermediate oxygen levels which is not as trivial as following a gradient to its source. C. elegans has four main classes of oxygen sensory neurons responsible for its oxygen dependent aerotactic behavior. The BAG neurons are sensing decreases, the URX neurons as well as the neurons AQR and PQR sense increases in oxygen. The sensory openings for AQR, BAG and URX are located in the head, while the sensory opening for PQR is located in its tail region. C. elegans should therefore be well equipped not only to sense absolute changes of oxygen concentrations along its path but should also be capable of sensing differences of oxygen concentrations along the length of its body and should therefore be well equipped to identify an optimal oxygen concentration. Behavior experiments of worm populations done in the laboratory of Manuel Zimmer using neuropeptide depleted C. elegans mutants revealed a severe defect in the behavioral response to changing oxygen concentrations regardless of the strength of the stimulus. These basic findings lead to the assumption, that neuropeptides play a significant role either in oxygen sensing or in the modulation of the corresponding activity in the neuronal circuit to elicit an appropriate behavioral response.
The findings so far posed two main questions. First, is the activity of the sensory neurons sufficient to provide animals with information concerning an optimal oxygen concentration. Secondly, which and where within the neuronal circuit of interest neuropeptides are required to transform the sensory input into appropriate behavior.
Calcium imaging of the oxygen sensory neurons BAG and URX revealled that their combined activity pattern is sufficient to identify the concentration optimum. The experiments also showed, that neuropeptides are not required at the sensory level in respect to finding the preferred oxygen concentration range.
Quantitative recordings of worm population behaviors of C. elegans mutant, rescue and cell kill lines were used to adress the second question. The existing informatics tool to analyse the recordings proved to be insufficient with the oxygen paradigm used and was partially rewritten and optimized accordingly. The results of the behavior analysis showed, that in a changing oxygen environment the transmission of sensory information from oxygen sensory neurons to motorneurons to elicit specific behavioral responses relies on a delicate balance of multiple neuropeptides and provided a candidate list for neuropeptides involved.
Furthermore the study revealled, that upon changes in the oxygen concentration, two different responses take place. The first is a response independent from neuropeptides. This response leads to a very strong but short lived increase in behavioral events after a drastic change in the oxygen concentration which is interpreted as a robust escape response to a harsh stimulus.
Neuropeptides efficiently mask this stereotypical escape response if changes in the environmental oxygen concentration are not associated with an immediate threat to the animal and mediate highly fine tuned responses to gradual oxygen changes. This fine tuned behavior supposedly enables C. elegans to efficiently sample the environment in response to gradual changes and is probably required to efficiently reach and stay at preferred oxygen concentrations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Caenorhabditis elegans Neuronal Circuit Oxygen sensation Behavior Calcium imaging Neuropeptides
Schlagwörter
(Deutsch)
Caenorhabditis elegans Neuronales Netzwerk Sauerstoffwahrnehmung Verhalten Calcium imaging Neuropeptide
Autor*innen
Michael Sonntag
Haupttitel (Englisch)
Finding an optimum
Hauptuntertitel (Englisch)
deconstructing the oxygen sensing neuronal network of Caenorhabditis elegans
Paralleltitel (Deutsch)
Das Finden eines Optimums
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
145 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Manuel Zimmer
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC12089244
Utheses ID
29420
Studienkennzahl
UA | 066 | 834 | |