Untersuchungen von physiologischen und molekularen Grundlagen der Mechanosensorik bei Insekten

Abstract

In Insekten findet die Wahrnehmung mechanischer Reize (z.B. Schall, Substratvibrationen) besonders mittels scolopidialen Sinneseinheiten statt. Die grundlegenden physiologischen und molekularen Prozesse der Mechanotransduktion können an einzelnen Einheiten, aber auch an komplexen Skolopidialorganen (Chordotonalorgane) untersucht werden. Die hier durchgeführten Studien beschäftigen sich in einem vergleichenden Ansatz mit anatomischen, physiologischen und molekularen Grundlagen dieser Organe bei verschiedenen Insektenarten.In dem ersten Thesisbereich konnte zum ersten Mal mittels neuronalem Tracing die Neuroanatomie von Chordotonalorganen (COs) im Bein der Zikade Okanagana rimosa dargestellt werden. Das femorale Chordotonalorgan (feCO) weist eine Unterteilung in drei verschiedene Zellkluster auf und das Subgenualorgan (SGO) besteht aus nur zwei Zellen. Elektrophysiologisch ermittelte Schwellenkurven zeigen ein breites Frequenztuning zwischen 200 Hz und 5 kHz als Antwort auf Vibrationsreize.Auch konnte hier erstmals gezeigt werden, dass abdominale COs sehr empfindlich auf vibratorische Reizung der caudalen Abdominalsternite reagieren. Die Schwellenkurven liegen sowohl bei der Zikade O. rimosa, wie auch bei der Heuschrecke Schistocerca gregaria in dem Bereich der Beinsensorik. Das Ergebnis eröffnet neue Konzepte für Untersuchungen der Vibrationswahrnehmung, z.B. in Insekten denen das hochempfindliche Subgenualorgan in den Beinen fehlt.Im zweiten Thesisbereich wurde das femorale Chordotonalorgan von Drosophila melanogaster elektrophysiologisch untersucht. Die Ergebnisse ermöglichen einen Vergleich zu dem bereits vielfach untersuchten Johnston´schen Organ. Mittels Injektion von Acetylcholin-Rezeptor- Antagonisten wurde die Ausprägung motorischer Signale vermindert und so konnte eine primär sensorische Reaktion auf Vibrationsstimulation mit Frequenzen unter 200 Hz gezeigt werden. Die hier verwendete Methode scheint somit für weiterführende Studien der Grundlagen der Mechanotransduktion geeignet.Im dritten Thesisbereich wurden die Rollen des Zelladhäsionsprotein Fasciclin 2 und des Protein der extrazellulären Matrix, Nidogen, auf ihre Lokalisation und funktionelle Rolle im Bezug zur Mechanotransduktion in Chordotonalorganen untersucht. Beide Proteine sind im Bereich der Scolopalzellen lokalisiert, wie vergleichende Untersuchungen bei D. melaongaster und S. gregaria zeigen. Verhaltensversuche und elektrophysiologische Untersuchungen bei D. melanogaster zeigen eine verminderte Ausprägung mechanosensorisch induzierter Reaktion bei reduziertem Level dieser Proteine. Damit wurde erstmals einem Zelladhäsionsmolekül und einem Molekül der ECM eine funktionelle Rolle bei der Mechanotransduktion nachgewiesen. In insects, the perception of mechanical stimuli (e.g., sound, substrate vibrations) is mediated through scolopidial sensory units. The fundamental physiological and molecular processes of the mechanotransduction can be studied on individual scolopidial units as well as on complex scolopidial organs (chordotonal organs). The main purpose of this study is the investigation of the anatomical, physiological and molecular bases of these organs in different species of insects. It is divided into three separate sections.In the first section, neuronal tracing was used to visualize the neuroanatomy of the various chordotonal organs (COs) in the leg of an adult cicada, Okanagana rimosa. The femoral chordotonal organ (feCO) is subdivided into three different cell clusters and the subgenual organ (SGO) consists of only two cells. Electrophysiologically determined threshold curves show a wide frequency tuning between 200 Hz and 5 kHz in response to vibration stimuli.Apart from sensory system of the leg it is shown for the first time that abdominal COs are very sensitive to vibrational stimulation of the caudal abdominal sternites. The threshold curves are comparable to those of the leg sensory system of the cicada O. rimosa and the locust Schistocerca gregaria. These results opens up new possibilitys for investigations of the perception of vibrations, e.g. in insects lacking the highly sensitive subgenual organ in the legs.In the second section of the thesis, the femoral chordotonal organ of Drosophila melanogaster was examined electrophysiologically. The results allow a comparison to the Johnston´s organ, which has already been studied extensively. The occurrence of motor signals was reduced by injection of acetylcholine receptor antagonists, thus demonstrating a primary sensory response to vibratory stimulation at frequencies below 200 Hz. The method used here seems suitable for further studies of the fundamental processes of mechanotransduction mechanism.In the third section, the roles of the cell adhesion protein fasciclin 2 and the extracellular matrix protein nidogen were investigated for their localization and their functional role related to the mechanotransduction in chordotonal organs. Comparative studies in D. melaongaster and S. gregaria show that both proteins are located in the area of the scolopal cells. Behavioral tests and electrophysiological studies in D. melanogaster reveal a reduced mechanosensory induced neuronal reaction in flies with a lowered level of these proteins. Thus, for the first time, a functional role for a cell adhesion molecule and a molecule of the ECM in the mechanotransduction in chordotonal organs of insects was demonstrated.