Transduction in Olfactory Receptor Neurons of Xenopus laevis Larvae: Pharmacological Blockage with FM1-43 and Endocannabinoid Modulation

Abstract

Der Geruchssinn ist essentiell für die Nahrungssuche und vermittelt darüber hinaus sowohl emotionale als auch soziale Reaktionen. Eine Störung des Geruchssinnes schlägt sich oft in Krankheiten nieder. In den letzten beiden Jahrzehnten wurden große Fortschritte in diesem Forschungsbereich gemacht und Erkenntnisse über die Geruchswahrnehmung gewonnen. Diese Arbeit behandelt zwei Themen der Grundlagenforschung in der Olfaktorik und ist wie folgt gegliedert:1. Im olfaktorischen Epithel existieren verschiedene Untergruppen von olfaktorischen Rezeptorneuronen. Eine Klassifizierung dieser Untergruppen kann anhand der Signaltransduktion von Duftstoffen vorgenommen werden: Eine Untergruppe olfaktorischer Rezeptorneurone nutzt die cAMP-abhängige Signalkaskade, um Duftstoffe in Depolarisationen zu transduzieren. Bis heute ist es nicht möglich, diese Neuronenuntergruppe zu färben oder mit potenten und spezifischen Blockern ihren Generatorkanal zu inhibieren. In dieser Arbeit wurde der Styrylfarbstoff FM1-43 als Marker dieser Untergruppe von Neuronen identifiziert, die eine cAMP-abhängige Transduktionsmaschinerie haben. Der Farbstoff wird durch zyklisch Nukleotid-gesteuerte Ionenkanäle, dem Generatorkanal dieser Untergruppe, aufgenommen. Dies wurde durch die Interferenz der Aufnahme von FM1-43 mit divalenten Kationen und hochkonzentrierten, unspezifischen Blockern des zyklisch Nukleotid-gesteuerten Kationenkanals belegt und weiter durch cAMP- und Forskolin-evozierte Antworten bei FM1-43 gefärbten Zellen bestätigt. Charakteristisch für FM1-43 gefärbte olfaktorische Rezeptorneurone ist, dass sie nicht auf Duftstoffe reagierten oder schnell ihre Empfindlichkeit verloren haben. Das deutet darauf hin, dass FM1-43 die Transduktionsmaschinerie gefärbter Neurone schwerwiegend beeinträchtigt. Tatsächlich erniedrigte FM1-43 Ströme durch native zyklisch Nukleotid-gesteuerte Kanäle auf etwa 25 % und wirkte dabei extrazellulär. Dieses Hilfsmittel erlaubt es folglich, olfaktorische Rezeptorneurone mit einer cAMP-abhängigen Signalkaskade optisch zu identifizieren und pharmakologisch auf der Transduktionsebene zu beeinflussen.2. Der Geruchsinn ist für die Nahrungssuche und die Nahrungsaufnahme von Bedeutung, die zugrundeliegenden Mechanismen für diese funktionale Interaktion sind jedoch nur wenig erforscht. Ein Schlüsselfaktor für die Energiehomöostase und Ernährung im zentralen Nervensystem stellt das Endocannabinoidsystem dar. Deshalb wurde die Hypothese aufgestellt, dass das Endocannabinoidsystem die Nahrungsaufnahme mit dem Geruchssinn verknüpft. Kürzlich wurde gezeigt, dass Cannabinoide im olfaktorischen Epithel eine Rolle spielen. Die pharmakologische Beeinflussung des entsprechenden Cannabinoidrezeptors moduliert Duftstoffantworten. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass das Endocannabinoid 2-AG im olfaktorischen Epithel synthetisiert wird und an olfaktorischen Rezeptorneuronen wirkt. Eine Inhibierung der 2-AG Synthese verkleinert und verzögert Duftstoff-induzierte Antworten. Eine Einzelzellanalyse ergab, dass es zwei 2-AG Quellen im olfaktorischen Epithel gibt: eine ist in den Rezeptorneuronen und Diacylglycerollipase β-abhängig, die andere ist in Stützzellen lokalisiert und Diacylglycerollipase α-abhängig. Die Diacylglycerollipase α vermittelte 2-AG Synthese in Stützzellen wird vom Hungerzustand von Tieren gesteuert. Der wesentliche Effekt von 2-AG ist die Regulierung der Detektionsschwelle von Duftstoffen. Erhöhte 2-AG Konzentrationen verringern die Detektionsschwelle einzelner Rezeptorneurone, wohingegen niedrige 2-AG Konzentrationen die Detektionsschwelle steigern. Folglich werden Rezeptorneurone durch Hunger sensitiver und eine Endocannabinoid-vermittelte Modulationen könnte deshalb die Nahrungssuche wesentlich beeinflussen. Der intrazelluläre Effektor des Cannabinoidrezeptors könnte die Plasmamembran-Calcium ATPase sein. Diese Signalkaskade wurde bis jetzt noch nicht beschrieben. Zukünftige Experimente sollen die zugrundeliegende Transduktionkaskade näher charakterisieren. Neben dem Endocannabinoidsystem wurden im olfaktorischen Epithel auch Rezeptoren für andere modulierende Substanzen wie Orexin, Leptin, Adiponektin, und Dopamin gefunden. Das deutet darauf hin, dass die Wahrnehmung von Duftstoffen schon auf peripher Ebene von vielen Substanzen moduliert wird.