Analysis of the light--entrainment pathways for the circadian clock of Drosophila melanogaster

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-4958
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10306

Veleri, Shobi

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Date of publication of this fulltext: 25 Apr 2005 06:58

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In Drosophila, naturally the circadian clock is entrained by environmental light-dark cycles. Photoreceptors like rhodopsins and cryptochrome perceive light signals for light entrainment of the circadian clock. It is known that there is a light-dependent CRY:TIM interaction, leading to the degradation of TIM coupled with molecular re-setting of the clock-gene cyclings. However, functional double mutants (norpAP41;cryb), blocking simultaneously the known rhodopsin mediated transduction cascade and the largely unknown cryptochrome mediated transduction cascade do not confer the circadian clock absolutely blind to light signals. The double mutants� circadian clock still shows residual light entrainment ability, indicating that a novel photoreceptor entrains the circadian clock. On the other hand, in gl60j cryb double mutants the circadian clock is absolutely blind to light signals. The gl60j mutation removes morphological structures like the compound eyes and the ocelli (signaling from them is blocked by norpAP41); gl60j in addition removes the H-B eyelet and a subset of DNs (DN1s). The H-B eyelet projects axons toward the s-LNvs pacemaker neurons. Both in the s-LNvs and in the DN1s the molecular PER and TIM cyclings can still be synchronized by light in norpAP41;cryb double mutant flies. Therefore, we have investigated a possible role of the H-B eyelet in residual light entrainment of the circadian clock.
We have shown that the H-B eyelet functions to sense dim white light. Blocking light signaling from it affects the synchronization of molecular TIM cycling in the pacemaker neurons and in a subset of the DNs. However, at higher intensities of light no effect was seen. Therefore, we further investigated a possible role of the DNs, a subset of which also maintained light-synchronized molecular circadian oscillation in norpAP41;cryb double mutant flies. We have shown that the DN2+3s host a self-sustained molecular oscillator, which is entrainable by light dark cycles. Further, it was demonstrated that a novel norpA and cry independent photoreceptor in the dorsal brain could entrain the DN oscillator. As a putative candidate, we have investigated the Rh 7 gene and shown that it is indeed expressed in proximity to the DNs and LNs. Possibly, Rh 7 bypasses the classical visual norpA dependent phototransduction cascade. The data presented in this thesis support the existence of a novel circadian photoreceptor and--pigment and set the stage for analysis of the signaling pathways involved. Finally, isolation of the novel mutant Veela presents a potential missing link in the CRY:TIM signaling and interaction mechanism, which is the central part of the Drosophila light-entrainment pathway.

Translation of the abstract (German)

Normalerweise wird die circadiane Uhr der Fruchtfliege Drosophila melanogaster durch Licht/Dunkel Zyklen ihrer Umgebung synchronisiert. Photorezeptoren wie die Rhodopsine und Cryptochrome erkennen Lichtsignale für diese lichtinduzierte Anpassung der inneren Uhr. Man weiß, dass eine lichtabhängige Interaktion der Protein CRY:TIM zu einem Abbau von TIM führt. Dieser Abbau bewirkt ein Zurücksetzten und einen Neustart der inneren Uhr auf molekularer Ebene. Die doppelt mutante Fliege (norpAP41;cryb), in der gleichzeitig die bekannte Rhodopsin Signalkaskade und die weitgehend unbekannte durch Cryptochrome vermittelte Signalkaskade ausgeschaltet ist, ist jedoch nicht, zumindest auf die innere Uhr bezogen, absolut blind. Die innere Uhr der Doppelmutanten kann immer noch durch Licht beeinflusst werden. Dies zeigt, dass es noch einen weiteren, neuen Photorezeptor in der Fliege geben muss. Andererseits sind gl60j cryb Doppelmutanten absolut blind gegenüber Lichtsignalen .Die gl60j Mutation entfernt morphologische Strukturen wie die Komplexaugen und die Ocellen (Signale aus den Ocellen werden in den norpAp41 Fliegen blockiert); zusätzlich sind in den gl60j Fliegen das H-B Äuglein und ein Teil der DNs (DN1s) entfernt. Das H-B Äuglein projiziert Axone in Richtung der s-LNvs Schrittmacher Neurone. Sowohl in den s-LNvs als auch in den DN1s kann die molekulare Rhythmik der Proteine PER und TIM auch in den norpAP41;cryb Doppelmutanten noch durch Licht synchronisiert werden. Darum wurde eine mögliche Rolle des H-B Äugleins in der Lichtrezeption bei der inneren Uhr untersucht.
Wir haben gezeigt, dass die Funktion des H-B Äuglein in der Wahrnehmung von schwachen Licht liegt. Eine Blockierung der Lichtweiterleitung aus dem H-B Äuglein beeinflusst die Synchronisation der molekularen TIM Rhythmik in den Schrittmacherneuronen und in einem Teil der DNs. Bei höheren Lichtintensitäten konnte jedoch kein Effekt festgestellt werden. Darum wurden eine weitere Rolle der DNs untersucht und zwar der Teil der DNs welcher in norpAP41;cryb Doppelmutanten auch eine Lichtsynchronisierte molekulare Oszillation zeigt. Hier konnten wir zeigen, das die DN2+3s einen selbst erhaltenden molekularen Oszillator besitzen, welcher durch Licht/Dunkel Zyklen synchronisiert werden kann. Ebenso wurde gezeigt, dass ein weiterer, norpA und cry unabhängiger Photorezeptor im dorsalen Gehirn den DN Oszillator synchronisieren kann. Als ein möglicher Kandidat haben wir das Rh 7 Gen untersucht und zeigen können, dass es in der Tat in der Nähe der DNs und LNs exprimiert wird. Möglicherweise umgeht Rh 7 die klassische norpA abhängige Phototranduktions-Kaskade. Die Ergebnisse die in dieser Doktorarbeit präsentiert werden sprechen für die Existenz eines neuen circadianen Photorezeptors und Pigments und schaffen die Vorraussetzungen für die Analyse dieses weiteren Signalwegs. Zum Schluss wurde eine neue Mutante, Veela, isoliert, welche ein mögliches Bindeglied im CRY:TIM Signal- und Interaktionsmechanismus darstellt.

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