Markus Thamm

• Das serotonerge System besitzt sowohl bei Invertebraten als auch bei Vertebraten eine große Bedeutung für die Kontrolle und Modulation vieler physiologischer Prozesse und Verhaltensleistungen. Bei der Honigbiene Apis mellifera spielt Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) eine wichtige Rolle bei der Arbeitsteilung und dem Lernen. Die 5-HT-Rezeptoren, die überwiegend zur Familie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) gehören, besitzen eine Schlüsselstellung für das Verständnis der molekularen Mechanismen der serotonergen Signalweiterleitung. Ziel dieser Arbeit war es, 5-HT-Rezeptoren der Honigbiene zu charakterisieren. Dazu zählt die Identifizierung der molekularen Struktur, die Ermittlung der intrazellulären Signalwege, die Erstellung von pharmakologischen Profilen, die Ermittlung der Expressionsmuster und die Ermittlung der physiologischen Funktionen der Rezeptoren. Mit Hilfe der Informationen aus dem Honey Bee Genome Project, konnten drei RezeptorcDNAs kloniert werden. Vergleiche der abgeleiteten Aminosäuresequenzen mit denDas serotonerge System besitzt sowohl bei Invertebraten als auch bei Vertebraten eine große Bedeutung für die Kontrolle und Modulation vieler physiologischer Prozesse und Verhaltensleistungen. Bei der Honigbiene Apis mellifera spielt Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) eine wichtige Rolle bei der Arbeitsteilung und dem Lernen. Die 5-HT-Rezeptoren, die überwiegend zur Familie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) gehören, besitzen eine Schlüsselstellung für das Verständnis der molekularen Mechanismen der serotonergen Signalweiterleitung. Ziel dieser Arbeit war es, 5-HT-Rezeptoren der Honigbiene zu charakterisieren. Dazu zählt die Identifizierung der molekularen Struktur, die Ermittlung der intrazellulären Signalwege, die Erstellung von pharmakologischen Profilen, die Ermittlung der Expressionsmuster und die Ermittlung der physiologischen Funktionen der Rezeptoren. Mit Hilfe der Informationen aus dem Honey Bee Genome Project, konnten drei RezeptorcDNAs kloniert werden. Vergleiche der abgeleiteten Aminosäuresequenzen mit den Aminosäuresequenzen bereits charakterisierter Rezeptoren legten nahe, dass es sich dabei um einen 5-HT1- (Am5-HT1) und zwei 5-HT2-Rezeptoren (Am5-HT2α und Am5-HT2β) handelt. Die strukturelle Analyse der abgeleiteten Aminosäuresequenz dieser Rezeptoren postuliert das Vorhandensein der charakteristischen heptahelikalen Architektur von GPCRs und zeigt starkkonservierte Motive, die bedeutend für die Ligandenbindung, die Rezeptoraktivierung und die Kopplung an G-Proteine sind. Für die beiden 5 HT2-Rezeptoren konnte zudem alternatives Spleißen nachgewiesen werden. Mit den cDNAs des Am5-HT1- und des Am5-HT2α-Rezeptors wurden HEK293-Zellen stabil transfiziert und anschließend die Rezeptoren funktionell und pharmakologisch analysiert. Am5-HT1 hemmt bei Aktivierung abhängig von der 5-HT-Konzentration die cAMPProduktion.Die Substanzen 5-Methoxytryptamin (5-MT) und 5-Carboxamidotryptamin konnten als Agonisten identifiziert werden. Methiothepin dagegen blockiert die 5-HTWirkung vollständig. Prazosin und WAY100635 stellen partielle Antagonisten des Am5-HT1-Rezeptors dar. Der Am5-HT2_-Rezeptor stimuliert bei Aktivierung die Synthese des sekundären Botenstoffs Inositoltrisphosphat, was wiederum zu einer messbaren Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration führt. 5-MT und 8-OH-DPAT zeigen eine deutliche agonistische Wirkung auf Am5-HT2α. Dagegen besitzen Clozapin, Methiothepin, Mianserin und Cyproheptadin die Fähigkeit, die 5-HT-Wirkung um 51-64 % zu vermindern. Die bereits erwähnte alternative Spleißvariante von Am5-HT2α wurde ebenfalls in HEK293-Zellen exprimiert und analysiert, scheint jedoch eigenständig nicht funktionell zu sein. Gegen die dritte cytoplasmatische Schleife (CPL3) wurde ein polyklonales Antiserum generiert. Dieses erkennt in Western-Blot-Analysen ein Protein mit einer Masse von ca. 50 kDa. Durch immunhistochemische Analysen am Bienengehirn wurde die Verteilung des Rezeptors genauer untersucht. Dabei zeigten die optischen Neuropile, besonders die Lamina und die Ocellarnerven, stets eine starke Markierung. Außerdem wird der Rezeptor in den α- und β-Loben sowie der Lippe, dem Basalring und dem Pedunculus der Pilzkörper exprimiert. Doppelmarkierungen zeigen stets eine enge Nachbarschaft von serotonergen Fasern und dem Am5-HT1-Rezeptor. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Am5-HT1-Rezeptor sehr wahrscheinlich an der Regulation des phototaktischen Verhalten der Honigbiene beteiligt ist. Verfütterung von 5-HT hat eine deutlich negative Wirkung auf das phototaktischen Verhalten. Diese kann durch den Am5-HT1-Rezeptor-Agonisten 5-CT imitiert werden. Schließlich konnte gezeigt werden, dass der Am5-HT1-Antagonist Prazosin die 5-HT-Wirkung deutlich vermindern kann.…
• The serotonergic system plays an important role in the control and modulation of many physiological and behavioral processes in both vertebrates and invertebrates. In the honeybee Apis mellifera, serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) has been implicated in the control and regulation of division of labor as well as learning and memory. A key role in understanding the serotonergic system plays the molecular and functional characterization of 5-HT receptor subtypes. In most cases, serotonin receptors represent G protein-coupled receptors (GPCRs). This work describes the characterization of honeybee serotonin receptors. This comprises the identification of their molecular structure, intracellular second messenger pathways, pharmacological properties, expression profiles and functions. By screening the honeybee genome, we found three candidate genes encoding for putative serotonin receptors. The cDNAs of these genes were cloned and the deduced amino acid sequences were analysed. The sequence information was used to isolate the cDNAsThe serotonergic system plays an important role in the control and modulation of many physiological and behavioral processes in both vertebrates and invertebrates. In the honeybee Apis mellifera, serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) has been implicated in the control and regulation of division of labor as well as learning and memory. A key role in understanding the serotonergic system plays the molecular and functional characterization of 5-HT receptor subtypes. In most cases, serotonin receptors represent G protein-coupled receptors (GPCRs). This work describes the characterization of honeybee serotonin receptors. This comprises the identification of their molecular structure, intracellular second messenger pathways, pharmacological properties, expression profiles and functions. By screening the honeybee genome, we found three candidate genes encoding for putative serotonin receptors. The cDNAs of these genes were cloned and the deduced amino acid sequences were analysed. The sequence information was used to isolate the cDNAs encoding for these three receptors. Comparison of the deduced amino acid sequences with sequences of other known receptors suggests that one receptor belongs to the 5-HT1 (Am5-HT1) and the other two receptors to the 5-HT2 receptor class (Am5-HT2α and Am5-HT2β). Major characteristics common to all GPCRs (e.g. the heptahelical architecture) were confirmed by structural analyses of the deduced amino acid sequences. Furthermore, truncated receptor transcripts representing alternative splice variants of both 5-HT2 receptors could be detected. HEK293 cells were stably transfected with the cDNAs of Am5-HT1 or Am5-HT2_ and functionally and pharmacologically analysed. The activation of Am5-HT1 by 5-HT results in the dose dependent attenuation of adenylyl cyclase activity. 5-methoxytryptamine (5-MT) and 5-carboxamidotryptamine are able to imitate the 5-HT effect. In contrast, methiothepin is able to block the entire 5-HT effect, whereas prazosine and WAY100635 block the 5-HT effect only partially. The Am5-HT2α receptor stimulates the synthesis of the second messenger inositol trisphosphate which in turn mediates an increase in the intracellular Ca2+. The substances 5-MT and 8-OH-DPAT were identified as agonists of the Am5-HT2α receptor. In contrast, clozapine, methiothepine, mianserine, and cyproheptadine show strong antagonistic actions. A truncated alternative splice variant of the Am5-HT2α-receptor was also analysed but didn’t show any functional coupling by itself. An antiserum was raised against the third cytoplasmic loop (CPL3) of the Am5-HT1 receptor. This antiserum detects a protein with a molecular mass of 50 kDa in western blot analyses. The expression of the Am5-HT1 receptor was studied in detail using immunohistochemistry. Strong Am5-HT1-like immunofluorescence was observed in the ocellar nerve, in the three optic ganglia and in the α- and β-lobes, the pedunculi, the lip and the basal ring of the mushroom bodies. Furthermore, co-labeling with an antibody against 5-HT showed that this receptor is expressed in close vicinity to serotonergic neurons. Finally, behavioral experiments suggest a possible role of the Am5-HT1 receptor in phototactic behavior. Feeding of 5-HT to worker honeybees results in a decrease of phototactic behavior. This 5-HT action could be mimiced by feeding of the Am5-HT1 agonist 5-CT. In contrast, the Am5-HT1 antagonist prazosine prevents the 5-HT-induced decrease in phototaxis.…