Title (eng)
The maintenance of neuronal polarity in aging Drosophila melanogaster
Parallel title (deu)
Aufrechterhaltung der neuronalen Polarität im gealterten Gehirn von Drosophila melanogaster
Author
Penelope Maria Dimas
Advisor
Michael Kiebler
Assessor
Michael Kiebler
Abstract (deu)
Ein grundlegendes Merkmal neuronaler Zellen ist ihre stark polarisierte Morphologie, welche sich in der Ausbildung eines einzigen langen Axons und mehrerer kurzer Dendriten manifestiert. Diese polarisierten Morphologie, sowie die differentielle, polare Lokalisation von Proteinen und anderen subzellulären Bestandteilen bilden die Grundlage für die Funktion von Nervenzellen und deren Vernetzung zu funktionellen neuronalen Netzwerken. Insbesondere die selektive Lokalisation von Proteinen innerhalb spezialisierter subzellulärer Bereiche, wie dem Axon, ist essentiell für die Etablierung und Aufrechterhaltung dieser molekular und funktionell hoch spezialisierten subzellulären Kompartimente. Während neuronale Polarität, bzw. die polarisierte Verteilung von Proteinen, in jungen Säugetierneuronen relativ gut charakterisiert wurde, ist wenig über diese Aspekte in Invertebraten und alternden Neuronen bekannt.
Drosophila melanogaster hat sich als hervorragender Modelorganismus zur Erforschung der Etablierung zellulärer und neuronaler Polarität erwiesen. Erst kürzlich konnte gezeigt werden, dass Drosophila Neuronen eine klare Polarität auf molekularer Ebene aufweisen, welche sich in der polarisierten Verteilung von Proteinen entweder im Axon oder den Dendriten zeigt. Dies, sowie die praktischen Vorteile von Drosophila als Modellorganismus, die Vielzahl an verfügbaren genetischen Werkzeugen und die Möglichkeit zelluläre Vorgänge in vivo zu beobachten, machen Drosophila zu einem unkomplizierten und genetisch einfach manipulierbaren Modellorganismus für die Erforschung komplexer Aspekte der Etablierung und Aufrechterhaltung neuronaler Kompartimente.
In der vorliegenden Studie nutzten wir Drosophila melanogaster um die polarisierte Verteilung von Proteinen in Axonen zu bestätigen. Durch die selektive Expression transgener fluoreszierender Proteine mit vermeintlich axonaler Lokalisation im Pilzkörper von jungen Fliegen konnten wir nachweisen, dass einige Aspekte neuronaler Polarität, wie die selektive Lokalisierung von Membran- und Transportproteinen im axonalen Kompartiment, bereits in jungen Drosophila Neuronen etabliert sind. Obwohl manche Aspekte der neuronalen Polarität in jungen Neuronen weniger gut etabliert zu sein scheinen, bestätigen unsere Ergebnisse die Eignung von Drosophila als Modellsystem, um die komplexen Prozesse neuronaler Polarität zu untersuchen.
Des Weiteren untersuchten wir die Aufrechterhaltung der polarisierten Verteilung von Proteinen im Alter, mittels eines vergleichenden in vivo Screens. Hinweise darauf, dass Veränderungen in der polarisierten Verteilung von Proteinen im alternden Gehirn auftreten können und zu dessen Alterungsprozess beitragen, gehen aus den Arbeiten von Niewiadomska und Kollegen hervor, die zeigen konnten das es zu altersabhängigen Veränderungen in der Lokalisation axonaler Mikrotubuli-bindender Proteine, und als Konsequenz Veränderungen im axonalen Transport [Niewiadomska et al., 2003, 2005 2006]. Durch die transgene Expression axonaler Proteine in den Pilzkörpern junger und alter Fliegen konnten wir Veränderungen in der Verteilung zweier axonaler Membranproteine zeigen, während die Lokalisation eines verwandten Proteins erhalten blieb. Dies deutet darauf hin, dass die beobachteten Veränderungen nicht das Ergebnis der langzeitigen Expression transgener Proteine sind und der Funktionalität des angelegten Screens. Die axonale Lokalisation von Transportproteinen blieb erhalten und weist darauf hin, dass es zu keinen allgemeinen Beeinträchtigung des axonalen Transports kommt. Des Weiteren fanden wir Hinweise darauf, dass präsynaptische Proteine in der neuronalen Entwicklung ihre akkurate, polarisierte Lokalisation erst etablieren, nachdem neuronale Kompartimente morphologisch klar unterscheidbar sind. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es zur Umverteilungen spezifischer axonaler Proteine im gealterten zentralen Nervensystem kommen kann, aber um diese Fragestellung endgültig zu klären sind fortführende Forschungen hinsichtlich endogener Proteinen und der zugrunde liegenden Mechanismen erforderlich.
Abstract (eng)
A fundamental feature of neuronal cells is that they possess a highly polarized morphology, characterized by a single long axon and multiple short dendrites. This polarized morphology and the proper localization of proteins and other subcellular constituents form the basis for neuronal function and their assembly into functional neuronal networks. Specifically, the selective targeting of proteins to specialized subcellular domains, such as the axon, is of central importance for the establishment and maintenance of these molecularly and functionally highly specialized subcellular compartments. While neuronal polarity and respectively the polarized distribution of proteins has been thoroughly studied in the early stages of life in mammalian organisms, it is less well characterized in invertebrates and the late stages of life.
Drosophila melanogaster has served as an excellent model for studying the establishment of cell and neuronal polarity. Only recently, it has become clear that Drosophila neurons exhibit a clear molecular polarization, apparent by the polarized distribution of proteins to either axons or dendrites. Taken together with the appealing properties of Drosophila as a model organism, the vast number of available genetic tools and the possibility to study cellular processes in vivo, Drosophila represents a convenient, simple and genetically tractable model organism to study the intricate aspects of the establishment and maintenance of neuronal compartments.
In this study we used Drosophila melanogaster to validate the polarized distribution of proteins to the axonal compartment by the selective expression of transgenic fluorescent proteins with presumed axonal localization in the mushroom bodies of young adult flies. We could prove that several aspects of neuronal polarity, such as the selective targeting and trafficking of membrane and transport proteins to the axonal compartment are established early in the life of Drosophila neurons. Although some aspects of neuronal polarity may be less well established the early stages of life, our findings substantiate the use of Drosophila as a model to study the complex processes of neuronal polarity.
Secondly, we aimed to investigate the maintenance of the polarized distribution of proteins with age by means of a comparative in vivo screen. Mechanisms that underlie the aging process and contribute to the commonly observed age-associated cognitive decline are ill defined. Indications that alterations in the polarized distribution of proteins may occur in the aged brain and contribute to the aging process come from the observations of Niewiadomska and colleagues, who could demonstrate the age-dependent redistribution of axonal microtubule binding proteins, affecting axonal transport in mammals [Niewiadomska et al., 2003, 2005 2006]. Expressing axonal proteins in the mushroom bodies of young and aged flies, we observed alterations in the distribution of two membrane proteins, whereas the localization of a related membrane protein was unaffected, suggesting that the observed rearrangements are not a consequence of the long-term expression of transgenic proteins. Transport proteins were found to maintain their highly selective localization to the axonal compartment, indicating no general impairment of axonal trafficking. Moreover we found indications that presynaptic proteins become polarized late in neuronal development, after neuronal compartments are already morphologically distinguishable. Our findings raise the possibility of re-localization of certain axonal proteins in the aged central nervous system, but further research regarding endogenous proteins and underlying mechanism is required.
Keywords (eng)
neuronal polarityAgingDrosophila melanogaster
Keywords (deu)
Neuronale PolaritätAlternDrosophila melanogaster
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
87 S. : Ill.
Number of pages
87
Association (deu)
Title (eng)
The maintenance of neuronal polarity in aging Drosophila melanogaster
Parallel title (deu)
Aufrechterhaltung der neuronalen Polarität im gealterten Gehirn von Drosophila melanogaster
Author
Penelope Maria Dimas
Abstract (deu)
Ein grundlegendes Merkmal neuronaler Zellen ist ihre stark polarisierte Morphologie, welche sich in der Ausbildung eines einzigen langen Axons und mehrerer kurzer Dendriten manifestiert. Diese polarisierten Morphologie, sowie die differentielle, polare Lokalisation von Proteinen und anderen subzellulären Bestandteilen bilden die Grundlage für die Funktion von Nervenzellen und deren Vernetzung zu funktionellen neuronalen Netzwerken. Insbesondere die selektive Lokalisation von Proteinen innerhalb spezialisierter subzellulärer Bereiche, wie dem Axon, ist essentiell für die Etablierung und Aufrechterhaltung dieser molekular und funktionell hoch spezialisierten subzellulären Kompartimente. Während neuronale Polarität, bzw. die polarisierte Verteilung von Proteinen, in jungen Säugetierneuronen relativ gut charakterisiert wurde, ist wenig über diese Aspekte in Invertebraten und alternden Neuronen bekannt.
Drosophila melanogaster hat sich als hervorragender Modelorganismus zur Erforschung der Etablierung zellulärer und neuronaler Polarität erwiesen. Erst kürzlich konnte gezeigt werden, dass Drosophila Neuronen eine klare Polarität auf molekularer Ebene aufweisen, welche sich in der polarisierten Verteilung von Proteinen entweder im Axon oder den Dendriten zeigt. Dies, sowie die praktischen Vorteile von Drosophila als Modellorganismus, die Vielzahl an verfügbaren genetischen Werkzeugen und die Möglichkeit zelluläre Vorgänge in vivo zu beobachten, machen Drosophila zu einem unkomplizierten und genetisch einfach manipulierbaren Modellorganismus für die Erforschung komplexer Aspekte der Etablierung und Aufrechterhaltung neuronaler Kompartimente.
In der vorliegenden Studie nutzten wir Drosophila melanogaster um die polarisierte Verteilung von Proteinen in Axonen zu bestätigen. Durch die selektive Expression transgener fluoreszierender Proteine mit vermeintlich axonaler Lokalisation im Pilzkörper von jungen Fliegen konnten wir nachweisen, dass einige Aspekte neuronaler Polarität, wie die selektive Lokalisierung von Membran- und Transportproteinen im axonalen Kompartiment, bereits in jungen Drosophila Neuronen etabliert sind. Obwohl manche Aspekte der neuronalen Polarität in jungen Neuronen weniger gut etabliert zu sein scheinen, bestätigen unsere Ergebnisse die Eignung von Drosophila als Modellsystem, um die komplexen Prozesse neuronaler Polarität zu untersuchen.
Des Weiteren untersuchten wir die Aufrechterhaltung der polarisierten Verteilung von Proteinen im Alter, mittels eines vergleichenden in vivo Screens. Hinweise darauf, dass Veränderungen in der polarisierten Verteilung von Proteinen im alternden Gehirn auftreten können und zu dessen Alterungsprozess beitragen, gehen aus den Arbeiten von Niewiadomska und Kollegen hervor, die zeigen konnten das es zu altersabhängigen Veränderungen in der Lokalisation axonaler Mikrotubuli-bindender Proteine, und als Konsequenz Veränderungen im axonalen Transport [Niewiadomska et al., 2003, 2005 2006]. Durch die transgene Expression axonaler Proteine in den Pilzkörpern junger und alter Fliegen konnten wir Veränderungen in der Verteilung zweier axonaler Membranproteine zeigen, während die Lokalisation eines verwandten Proteins erhalten blieb. Dies deutet darauf hin, dass die beobachteten Veränderungen nicht das Ergebnis der langzeitigen Expression transgener Proteine sind und der Funktionalität des angelegten Screens. Die axonale Lokalisation von Transportproteinen blieb erhalten und weist darauf hin, dass es zu keinen allgemeinen Beeinträchtigung des axonalen Transports kommt. Des Weiteren fanden wir Hinweise darauf, dass präsynaptische Proteine in der neuronalen Entwicklung ihre akkurate, polarisierte Lokalisation erst etablieren, nachdem neuronale Kompartimente morphologisch klar unterscheidbar sind. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es zur Umverteilungen spezifischer axonaler Proteine im gealterten zentralen Nervensystem kommen kann, aber um diese Fragestellung endgültig zu klären sind fortführende Forschungen hinsichtlich endogener Proteinen und der zugrunde liegenden Mechanismen erforderlich.
Abstract (eng)
A fundamental feature of neuronal cells is that they possess a highly polarized morphology, characterized by a single long axon and multiple short dendrites. This polarized morphology and the proper localization of proteins and other subcellular constituents form the basis for neuronal function and their assembly into functional neuronal networks. Specifically, the selective targeting of proteins to specialized subcellular domains, such as the axon, is of central importance for the establishment and maintenance of these molecularly and functionally highly specialized subcellular compartments. While neuronal polarity and respectively the polarized distribution of proteins has been thoroughly studied in the early stages of life in mammalian organisms, it is less well characterized in invertebrates and the late stages of life.
Drosophila melanogaster has served as an excellent model for studying the establishment of cell and neuronal polarity. Only recently, it has become clear that Drosophila neurons exhibit a clear molecular polarization, apparent by the polarized distribution of proteins to either axons or dendrites. Taken together with the appealing properties of Drosophila as a model organism, the vast number of available genetic tools and the possibility to study cellular processes in vivo, Drosophila represents a convenient, simple and genetically tractable model organism to study the intricate aspects of the establishment and maintenance of neuronal compartments.
In this study we used Drosophila melanogaster to validate the polarized distribution of proteins to the axonal compartment by the selective expression of transgenic fluorescent proteins with presumed axonal localization in the mushroom bodies of young adult flies. We could prove that several aspects of neuronal polarity, such as the selective targeting and trafficking of membrane and transport proteins to the axonal compartment are established early in the life of Drosophila neurons. Although some aspects of neuronal polarity may be less well established the early stages of life, our findings substantiate the use of Drosophila as a model to study the complex processes of neuronal polarity.
Secondly, we aimed to investigate the maintenance of the polarized distribution of proteins with age by means of a comparative in vivo screen. Mechanisms that underlie the aging process and contribute to the commonly observed age-associated cognitive decline are ill defined. Indications that alterations in the polarized distribution of proteins may occur in the aged brain and contribute to the aging process come from the observations of Niewiadomska and colleagues, who could demonstrate the age-dependent redistribution of axonal microtubule binding proteins, affecting axonal transport in mammals [Niewiadomska et al., 2003, 2005 2006]. Expressing axonal proteins in the mushroom bodies of young and aged flies, we observed alterations in the distribution of two membrane proteins, whereas the localization of a related membrane protein was unaffected, suggesting that the observed rearrangements are not a consequence of the long-term expression of transgenic proteins. Transport proteins were found to maintain their highly selective localization to the axonal compartment, indicating no general impairment of axonal trafficking. Moreover we found indications that presynaptic proteins become polarized late in neuronal development, after neuronal compartments are already morphologically distinguishable. Our findings raise the possibility of re-localization of certain axonal proteins in the aged central nervous system, but further research regarding endogenous proteins and underlying mechanism is required.
Keywords (eng)
neuronal polarityAgingDrosophila melanogaster
Keywords (deu)
Neuronale PolaritätAlternDrosophila melanogaster
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Number of pages
87
Association (deu)
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