Manipulation of the dopaminergic system in the fruit fly Drosophilamelanogaster as a tool to model Parkinson’s disease

Stephano, Flora

Dopamine is an intercellular messenger in both vertebrates and invertebrates. It exerts its physiological functions by binding to specific dopamine receptors. Dopaminergic systems in mammals control several important physiological functions ranging from voluntary movement and reward to general aspects of hormonal regulation and the regulation of blood pressure to name only few. Alterations in the dopaminergic system have been associated with several psychiatric and neurological disorders such as Schizophrenia and Parkinson’s disease (PD). On the contrary, the dopaminergic system in Drosophila is not well characterized. For this, characterization of the dopaminergic system in normal flies before further analyses was a basis of this study. The aim was to elucidate the expression patterns of dopamine receptors in the central nervous system (CNS) and the digestive tract and to analyze the function of these receptors at cellular and/or behavioral level in Drosophila. With this respect, I used immunohistochemical, RNAi, overexpression and pharmacological approaches. The findings from this part of study were striking. A wide distribution of four dopamine receptors present in Drosophila was apparent in the CNS and in the digestive tract. In the CNS, one receptor, DopR, was localized in dopamine producing cells, which suggests an auto-receptor function of this receptor at least in this subset of dopamine producing cells. More importantly, two receptors; DopR and DopR2 where localized in a subset of clock neurons that expresses the neuropeptide PDF (pigment dispersing factor) indicative for the hypothesis that these receptors control circadian rhythms in Drosophila melanogaster. Localization was also observed in higher order brain structures such as mushroom bodies and the central complex, regions that are implicated in controlling of learning/memory and locomotion, respectively. In the digestive tract, dopamine receptors were distributed differently in the major cells of the midgut. The wide distribution of dopamine receptors in neurons and non-neuronal tissues provides insights into the roles played by these receptors in controlling different physiological functions and behaviors in the fruit fly. Advanced age is a major risk factor for many neurodegenerative disorders including Parkinson’s disease Preventing or stopping the development of this neurological disorder and the search for alternative treatment strategies is a major scientific challenge. Both genetic and environmental factors seem to contribute to PD development. Unfortunately, clinically relevant symptoms of PD appear when degeneration of the nigrostriatal dopamine producing (DA) neurons is at an advanced stage. For this reason, the second aim of this study focused on elucidating molecular responses involved during the asymptomatic phase of PD in-order to identify potential targets for therapeutic intervention. I used the pesticide rotenone to induce Parkinsonism in Drosophila melanogaster. Moreover, rotenone-induced Parkinsonism was combined with a focused transcriptomic analysis of DA neurons. This study provides evidences that the outcome of various highly relevant signaling pathways is modified in the dopamine producing neurons that are in an early stage of PD. Amongst these affected systems are the Wnt-, MAPK/EGFR-, TGF-β-, and TOR-signaling pathways, which are known to be important for cell survival and/or cell death in the CNS. Thus, further studies involving these pathways may provide new insights into the molecular events underlying pathogenesis and, hopefully, lead to the identification of new potential targets for neuroprotective interventions for PD. Lastly, this study focused on the development of alternative therapeutic strategies for treatment of PD. In this, I tested whether modulation of intracellular second messenger systems by employing so-called DREADD (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) receptors in DA-producing neurons during rotenone treatment can prevent or delay development of the disease phenotype. Manipulation of these second messenger systems (cAMP or Ca2+) in DA-producing neurons did not prevent development of the disease phenotype induced by rotenone in the Drosophila model of PD.

Dopaminerge Systeme steuern verschiedene wichtige physiologische Funktionen in Säugetieren wie die spontane Bewegung, Belohnung sowie generelle Aspekte der hormonellen Regulation und der Steuerung des Blutdrucks. Funktionsstörungen des dopaminergen Systems wurden mit verschiedenen psychatrischen und neurologischen Störungen wie Schizophrenie und Parkinson in Verbindung gebracht. Da das dopaminerge System von Drosophila noch nicht sehr gut erforscht ist, war das grundlegende Ziel dieser Arbeit, das Expressionsmuster der Dopaminrezeptoren im Zentralnervensystem (ZNS) und im Gastrointestinaltrakt sowie deren Funktionen auf zellulärer und/oder verhaltensbiologischer Ebene zu untersuchen. Hierfür habe ich immunhistochemische und pharmakologische Ansätze sowie RNA-Interferenz und Überexpression verwendet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen waren beachtlich. Die vier Dopaminrezeptoren von Drosophila zeigten eine weite Verbreitung im ZNS und im Gastrointestinaltrakt. Im ZNS wird der Rezeptor DopR in DA-Neuronen exprimiert, was auf eine Autorezeptorfunktion schließen lässt. Darüber hinaus wurden DopR und DopR2 in einer Gruppe von Zeitgeber-Neuronen gefunden, die das Neuropeptid PDF (pigment dispersing factor) exprimieren. Dies deutet daraufhin, dass diese Rezeptoren den circadianen Rhythmus von Drosophila melanogaster steuern. Die Rezeptoren wurden außerdem in übergeordneten Strukturen wie den Pilzkörpern bzw. dem Zentralkomplex, Regionen, die an der Steuerung von Lernen und Gedächtnis bzw. der Bewegung beteiligt sind, detektiert. Im Gastrointestinaltrakt zeigten die Rezeptoren unterschiedliche Expressionsmuster in den verschiedenen Zelltypen des Mitteldarms. Die weite Verbreitung der Dopaminrezeptoren in Neuronen und nicht neuronalen Geweben liefert Hinweise auf die Beteiligung dieser Rezeptoren an der Steuerung physiologischer Funktionen und Verhaltensweisen in der Taufliege. Der größte Risikofaktor für Parkinson und viele andere neurodegenerative Erkrankungen ist fortgeschrittenes Alter. Es stellt eine große Herausforderung für die Wissenschaft dar, das Auftreten dieser neurologischen Störung mithilfe alternativer Behandlungsmethoden zu verhindern oder deren Entwicklung aufzuhalten. An der Ätiologie von Parkinson scheinen genetische sowie Umweltfaktoren beteiligt zu sein. Leider treten die klinischen Symptome der Erkrankung erst auf, wenn die Degeneration der nigrostriatalen Dopamin-produzierenden Neurone (DA-Neurone) bereits fortgeschritten ist. Deshalb war das nächste Ziel dieser Arbeit, die molekularen Mechanismen aufzuklären, die während der asymptomatischen Phase zur Entwicklung von Parkinson beitragen, um potentielle Zielstrukturen für therapeutische Interventionen zu identifizieren. Ich habe das Pestizid Rotenon verwendet, um in Drosophila melanogaster Parkinson zu induzieren. Mithilfe dieses Modells war es möglich, das Tanskriptom der DA-Neurone zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass verschiedene relevante Signalwege in der frühen Phase der Erkrankung moduliert werden. Unter diesen finden sich der Wnt-, MAPK/EGFR-, TGF-β- sowie der TOR-Signalweg, die wichtige Funktionen bei der Steuerung von Zellüberleben und -tod im Zentralnervensystem (ZNS) haben. Die genauere Untersuchung der identifizierten Signalwege kann neue Einblicke in die molekularen Ereignisse, die der Pathogenese zugrunde liegen, geben und helfen, neue potentielle Ziele für therapeutische Interventionen zu identifizieren. Ein dritter Hauptaspekt der Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung alternativer Therapiestrategien von Parkinson. Hierbei habe ich untersucht, ob die Modulation verschiedener intrazellulärer second messenger-Systeme in DA-Neuronen die Entwicklung des Krankheitsbildes verhindern oder verzögern kann. Die second messenger-Systeme wurden mithilfe von sogenannten DREADD-Rezeptoren (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) während der Rotenon-Behandlung manipuliert. Die Modulation der second messenger-Systeme (cAMP oder Ca2+) in DA-Neuronen verhinderte die Entwicklung des Krankheits-Phänotyps im Drosophila-Modell von Parkinson nicht.

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Stephano, Flora: Manipulation of the dopaminergic system in the fruit fly Drosophilamelanogaster as a tool to model Parkinson’s disease. 2013.

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