Physiological characterization of chemosensory mechanisms in mice

Moeller, Lisa Marie; Spehr, Marc

doi:34294

Physiological characterization of chemosensory mechanisms in mice = Physiologische Charakterisierung chemosensorischer Mechanismen in der Maus

Moeller, Lisa Marie

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lisa Marie Moeller

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangIII, 166 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Spehr, Marc (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-11-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52602
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465385/files/5260.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Neurophysiologie (Genormte SW) ; Maus (Genormte SW) ; Calcium (Genormte SW) ; Nervenzelle (Genormte SW) ; Mitochondrium (Genormte SW) ; Jacobson-Organ (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Olfaktorik (frei) ; Neuron (frei) ; Kalzium (frei) ; Vomeronasalorgan (frei) ; olfaction (frei) ; neuron (frei) ; calcium (frei) ; mitochondrium (frei) ; vomeronasal organ (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
In den meisten Säugetieren ist die Detektion von Umweltsignalen grundlegend sowohl für das Überleben des Individuums, als auch der ganzen Spezies. Für die Unterscheidung tausender verschiedener olfaktorischer Umweltreize und Pheromone entwickelte sich im Laufe der Evolution ein hochkomplexes Geruchssystem mit mehreren Subsystemen. Dennoch sind heute immer noch viele Wahrnehmungsmechanismen unbekannt. In dieser Arbeit habe ich daher beabsichtigt tiefere Erkenntnisse in diesem Thema zu erlangen. Genauer bezog sich meine Forschung auf vier verschiedene Aspekte und einen Exkurs in zwei peripheren Subsystemem: das olfaktorischen Hauptepithel (main olfactory epithelium, MOE) und das Vomeronasalorgan (VNO). Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich die funktionelle Rolle der mitochondrialen Ca2+ Auf-nahme in OSNs, während einer duftinduzierter Aktivierung, charakterisiert. Mit Hilfe der Patch Clamp Technik habe ich gezeigt, dass die mitochondriale Ca2+ Aufnahme in OSNs entscheidend ist um einen breiten dynamischen Antwortbereich aufrecht zu erhalten. Außerdem haben Loose Patch Analysen ergeben, dass inhibierte mitochondriale Ca2+ Aufnahme zu einer Beeinträchtigung des duftkodierten Entladungsmusters führt. Weiterhin zeigten Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) Experimente, dass Mitochondrien unter Duftstimulation in Knobregionen arretieren, was eine Rekrutierung dieser hochbeweglichen Organellen, zu Regionen mit speziellem Bedarf, suggeriert. In einem zweiten Projekt habe ich mich auf die elektrophysiologische Charakterisierung von Stützzellen im MOE konzentriert. Ich konnte zeigen, dass es verschiedene spannungs-abhängige Ionenströme in diesen Zellen gibt. So zeigten Stützzellen sowohl transiente Na+ und Ca2+ Einwärtsströme als auch große K+ (BKCa) Auswärtsströme. Im dritten Teil dieser Arbeit haben wir mit dem Labor von Prof. Dr. Stephen D. Liberles von der Harvard Medical School kooperiert um bislang unbekannte Pheromone zu identifizieren. ESP22 wurde im Rahmen dieser Kooperation als alters-, sowie Stammspezifisches Pheromon identifiziert, das in der Tränenflüssigkeit von präpubertären Mäusen angereichert ist. Loose Patch Aufnahmen zeigten, dass ESP22 dosisabhängig und repetitiv basale sensorische Neurone im VNO aktiviert. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass auch juvenile Tränenflüssigkeit, ESP22-responsive Zellen aktivieren konnte. Insgesamt konnte ich zeigen, dass ESP22 ein Peptid aus der juvenilen Tränenflüssigkeit ist, das einen VNO Signalweg aktiviert. Ein weiteres Projekt beschäftigte sich mit der Rolle von Cl- im sensorischen Epithel des VNO. In einem kollaborativen Ansatz mit Kollegenaus dem Forschungszentrum Jülich haben wir 2-Photonen Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) und eine geeignete en face Präparationsmethode verwendet um Cl- Konzentrationen in VSN Knobs und Stützzellen zu untersuchen. So konnten wir zeigen, dass die en face Präparation geeignet ist für die 2P-FLIM Cl- Untersuchungen, die gezeigt haben, das VSNs und Stützzellen unterschiedliche Lebensdauern zeigen. Weiterhin konnten Stimulus-induzierte Änderungen der [Cl-]i festgestellt werden, was einen Stimulus-abhängigen Anstieg der [Cl-]i in Stützzellen induziert. In einem letzten Teil dieser Arbeit habe ich einen neuen Imaging-Ansatz etabliert. Dabei habe ich die Methode der Elektroporation verwendet um Ca2+ sensitive Farbstoffe in vomeronasale sensorische Neurone zu transferieren. Anschließend war ich in der Lage Ca2+ Signale als Antwort auf Stimulation zu messen. Obwohl die Antwortrate und –stärke relativ schwach blieben, bietet diese Methode eine Möglichkeit die Probleme des konventionelle Ca2+ Imaging zu umgehen. Insgesamt liefern die Daten, die ich in dieser Arbeit generiert habe, Informationen, die zu einem tieferen Verständnis verschiedener physiologischen Mechanismen im peripheren olfaktorischen System, beitragen.

In most mammals, the detection of environmental cues is essential for survival of the individual and, accordingly, the whole species. For accurate detection and discrimination of a myriad of different environmental cues, the olfactory system has evolved several subsystems of high complexity. However, many basic molecular and cellular mechanisms of olfactory signaling are still unknown. In this thesis, I therefore aimed to gain more profound insight into distinct olfactory signaling mechanisms. Specifically, my research focused on four different physiological aspects of mouse peripheral olfaction in either the MOE or the VNO. First, I aimed to characterize the functional role of mitochondrial Ca2+ mobilization in OSNs during odor activation. Using patch-clamp recordings, I showed that mitochondrial Ca2+ recruitment in OSNs is essential to maintain a broad dynamic response range. When mitochondrial function was impaired, OSNs function as simple stimulus detectors rather than intensity encoders. Moreover, extracellular loose-seal recordings of OSN output revealed impaired odor-encoded discharge, in particular during short stimulations, when mitochondrial Ca2+ buffering was inhibited. My findings suggest that mitochondria are critical determinants of the olfactory input - output function. Furthermore, FRAP experiments showed mitochondrial arrest in dendritic knob regions upon odor stimulation, indicating activity-dependent recruitment of mitochondria to areas of specific metabolic / biochemical demand. Second, I aimed to provide an in-depth electrophysiological characterization of SCs. I described a variety of voltage-dependent currents in SCs, including transient Na+ and Ca2+ as well as hardly inactivating K+ currents. However, I did not detect any odor-dependent electrophysiological changes in SCs. Third, I aimed to analyze the physiological impact of ESP22, a previously undescribed strain- and age-specific mouse pheromone that is enriched in tears of prepubescent mice. Using extracellular recordings, I showed that ESP22 activates basal VSNs in a dose-dependent and repetitive manner. Additionally, I revealed that juvenile tear fluid activates ESP22-responsive cells. Thus, together with Dr. Liberles’ group, I showed that ESP22 is a lacrimal peptide that is secreted into juvenile tears and serves as a VNO chemosignal. Fourth, I aimed to investigate the role of Cl- in VNO signaling. Establishing FLIM in a dedicated en face preparation of the VNO sensory surface, I here showed an intracellular [Cl-] gradient along the apical VSN dendrite. Moreover, my findings suggest a stimulus-induced [Cl-] increase in SCs, whereas no stimulus-correlated effects on [Cl-] in VSN knobs were observed. Together, the data I obtained in this thesis provide a deeper understanding of different physiological mechanisms in the peripheral olfactory system.

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