Characterization of the molecular and cellular mechanisms in vomeronasal signal transduction in mice

Hagendorf, Silke; Spehr, Marc

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-30600

Characterization of the molecular and cellular mechanisms in vomeronasal signal transduction in mice = Untersuchung der molekularen und zellulären Mechanismen vomeronasaler Signaltransduktion im Mausmodell

Hagendorf, Silke

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Silke Hagendorf

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangIII, 124 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Spehr, Marc (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-12-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30600
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51491/files/Hagendorf_Silke.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Anpassung (Genormte SW) ; Elektrophysiologie (Genormte SW) ; Geruchssinn (Genormte SW) ; Ionenkanal (Genormte SW) ; adaptation (frei) ; eletrophysiology (frei) ; ion channel (frei) ; olfaction (frei) ; vomeronasal organ (frei) ; Vomeronasalorgan (frei) ; Biowissenschaften, Biologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Olfaktorische Signalmechanismen spielen eine entscheidende Rolle im Kontext innerartlicher sozialer Kommunikation. Während bei Säugetieren das hauptolfaktorische System der allgemeinen Geruchswahrnehmung dient, spielt das akzessorische olfaktorische System (AOS) eine prädominante Rolle bei der Detektion von chemischen Signalen, die soziale Informationen vermitteln (Pheromone). Während die Signaltransduktion im hauptolfaktorischen System in den letzten Jahren umfassend untersucht wurde, sind die Transduktionsmechanismen im Vomeronasalorgan (VNO), der peripheren sensorischen Struktur des AOS, noch weitgehend unaufgeklärt. Das Hauptziel meiner Doktorarbeit war die Analyse der molekularen und zellulären Mechanismen, die der Pheromon-Detektion im VNO zugrunde liegen. Um dieser Fragestellung nachzugehen, habe ich mich auf drei spezifische Aspekte vomeronasaler Signalverarbeitung fokussiert: Plastizität (a), Adaptation (b) und periphere Aktivität im Kontext olfaktorischen Lernens (c). Mein erstes Ziel war die Untersuchung der Input-Output-Beziehung vomeronasaler sensorischer Neurone (VSN) in Bezug auf eine aktivitätsabhängig regulierte Expression von spezifischen Ionenkanälen (homöostatische Plastizität). In dieser Arbeit zeige ich die aktivitätsabhängige Expression des ERG (ether-à-go-go related gene) Kaliumkanals in basalen VSN der Maus. Patch-clamp Messungen an basalen VSN in akuten VNO Schnittpräparaten zeigten, dass ERG-vermittelte Ströme während einzelner Aktionspotentiale aktiviert werden. Pharmakologische Kanalinhibition oder deprivationsabhängig herabgesetzte Expression der ERG Kanäle führten zu einer starken Verminderung des tonischen Feuerns als Antwort auf depolarisierende Strominjektionen. Diese Daten zeigen eine wichtige Rolle des ERG Kanals in der Ausdehnung des dynamischen Antwortbereichs von basalen VSNs, was eine bisher unbekannte Form von intrinsischer Plastizität im VNO darstellt. In olfaktorischen Neuronen wie auch in den meisten anderen sensorischen Systemen adaptiert der (Chemo)Transduktionsprozess infolge saturierender und/oder lang anhaltender Stimulationen, wodurch der neuronale Sensitivitätsbereich angepasst wird. Frühere Studien postulierten jedoch, dass VSNs eine Ausnahme dieser Regel darstellen und nicht adaptieren. Daher war mein zweites Ziel die Untersuchung einer potentiellen Rückkopplungsmodulation in der Signaltransduktion von VSN. Ich zeige hier, dass VSN Antworten einer effektiven sensorischen Adaptation unterliegen, die den Einstrom von Ca2+ benötigt und durch Calmodulin (CaM) vermittelt ist. Die Unterdrückung der Ca2+-CaM Rückkopplung verhinderte die Pheromonadaptation. Diese Ergebnisse zeigen einen bisher unbekannten Rückkopplungsmechanismus, der essentiell für die Anpassung der Sensitivität der Pheromondetektion im VNO ist. Schon einmalige Pheromonexposition kann, vermittelt durch das vomeronasale System, robuste Erinnerungen (single-trial memory) hervorrufen. Daher war mein drittes Ziel die Untersuchung dieses Phänomens auf der Stufe der Generierung von Aktionspotentialen und zytosolischer Ca2+ Signale. Ich habe hier ungewöhnliches langanhaltendes Antwortverhalten in VSN entdeckt. Elektrophysiologische Messungen zeigten persistente Aktionspotentialgenerierung nach kurzer Pheromonstimulation in einem Teil der VSN. Ein ähnliches Muster wurde mittels bildgebender Verfahren detektiert, die langanhaltende Ca2+-Oszillationen zeigten. Dieses Antwortphänomen konnte ebenfalls durch die indirekte Entleerung von Ca2+-Speichern induziert werden. Pharmakologische Experimente deuteten auf eine Rolle von spannungsabhängigen L-Typ Ca2+-Kanälen hin. Obwohl weitere Experimente nötig sind, um die Signalmechanismen im Detail zu verstehen, deuten meine bisherigen Daten auf eine wichtige Rolle der persistenten und regenerativen VSN Output-Muster im Kontext olfaktorischer Gedächtnisleistungen hin. Zusammengefasst zeigen die hier dargestellten Daten, dass aktivitätsabhängige Genexpression (homöostatische Plastizität), Ca2+-CaM vermittelte Antwortadaptation und anhaltende Aktivitätsmuster eine fundamentale Rolle in VSN spielen. Daher könnten die Eingangskontrolle und die Feinabstimmung der Input-Output Beziehung in VSN das soziale Verhalten von Mäusen entscheidend beeinflussen.

Conspecific chemosensory communication controls a broad range of social and sexual behaviors. In most mammals, social chemosignals are predominantly detected by sensory neurons of a specialized olfactory subsystem, the vomeronasal organ (VNO). The behavioral relevance of social chemosignaling puts high demands on the accuracy and dynamic range of the underlying transduction mechanisms. However, the physiological concepts implemented to ensure faithful transmission of social information remain widely unknown. The overall goal of my thesis was to uncover molecular and physiological concepts underlying pheromone signaling in the mouse VNO. To address these issues, I focused on three specific projects addressing vomeronasal plasticity (a), adaptation (b), and peripheral activity correlated to olfactory learning (c). My first goal was to investigate whether vomeronasal sensory neurons (VSNs) control their input-output relationships by activity-regulated expression of specific ion channels (homeostatic plasticity). Here, I report the activity-dependent expression of an ether-à-gogo related gene (ERG) ion channel in basal vomeronasal sensory neurons (VSNs) of mice. Patch-clamp recordings from basal VSNs in acute VNO slices showed that ERG-mediated currents are activated during action potential (AP) discharge. Pharmacological block or deprivation-dependent down-regulation of ERG channels strongly diminished tonic firing in response to depolarizing current injections. Thus, these data indicate an important role of ERG channels in extending the dynamic response range of basal VSNs, revealing a previously unknown form of intrinsic plasticity in the VNO. In olfactory sensory neurons, as well as in most other sensory systems, the entire (chemo)transduction process adapts in response to saturating and/or prolonged stimulation, thus, adjusting the neuronal sensitivity range. Previous studies, however, claimed that VSNs represent an exception to that ‘rule’, i.e. they fail to adapt. Therefore, my second goal was to investigate a potential feedback modulation in VSN signaling. Here, I report that VSN responses undergo effective sensory adaptation that requires the influx of Ca2+ and is mediated by calmodulin (CaM). Removal of the Ca2+-CaM feedback eliminated pheromone adaptation. These data reveal a previously unrecognized feedback mechanism that is essential for adjusting the sensitivity of pheromone detection in the VNO. Pheromonal exposure can induce robust single-trial memory mediated by the vomeronasal system. Therefore, my third goal was to investigate this phenomenon on the level of AP firing and cytosolic Ca2+ signals. Here, I observed unusual temporal response features in VSNs. Electrophysiological recordings revealed persistent AP discharge after brief exposure to pheromonal cues in a subset of VSNs. A similar pattern was detected in imaging experiments that revealed long-lasting Ca2+-oscillations. This temporal response phenomenon could also be induced indirectly by Ca2+-store depletion. Pharmacological experiments revealed a role of voltage-gated L-type Ca2+-channels. Although, the mechanisms of sustained activity in VSNs have to be investigated in detail in future experiments, these data indicate an important role of persistent and regenerative VSN output patterns for olfactory memory. Together, the data presented in this thesis reveal a fundamental function of activity-dependent gene expression (homeostatic plasticity), Ca2+-CaM-dependent response adaptation, and sustained activity patterns in VSNs. Therefore, gain control and fine-tuning of input-output relationships in VSNs may have a crucial impact on social behavior in mice.

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