The biogenic amines tyramine and octopamine are important neuromodulators involved in many physiological processes in invertebrates. They enable the modulation of behavioral output in response to internal and environmental changes. In this study, the role of octopamine and tyramine in sugar response and locomotion was investigated by genetic modifications affecting amine levels in adult Drosophila melanogaster. The synthesis-mutant tßhnM18 (tyramine-ß-hydroxylase) lacking octopamine and accumulating tyramine was analyzed in two behavioral paradigms: in the proboscis extension assay to test sugar response after starvation and in the Buridan’s assay to test walking speed and stripe deviation. In the proboscis extension assay, starved tßhnM18 mutants showed a reduced sugar response. Their hemolymph carbohydrate concentration was elevated compared to control flies and when starved to death, they survived longer. Temporally controlled rescue experiments revealed an action of the OA/TA system during sugar response, while spatially controlled rescue experiments suggested OA/TA actions inside and outside of the nervous system. Additionally, the analysis of OA- and TA-receptor mutants exhibited an involvement of both amines in the animals' physiological response to starvation. In the Buridan’s paradigm, tßhnM18 mutants walked slower and more directed to the presented stripes. The analysis of tßh overexpression in mutant and wild type flies as well as in OA- and TA-receptor mutants revealed a complex interaction of both aminergic systems in the control of locomotion. The null allele tßhnM18 showed differential dominance effects on the three behavioral traits ranging from recessive to overdominant. The data suggested that the different neuronal networks responsible for the three phenotypes are differentially sensitive to tßh gene dosage. In conclusion, the here presented data indicate a cooperation of biogenic amines on behavioral control, not only in the nervous system but also in non-neuronal tissues. The modulation of the different behavioral aspects is tßh dosage-dependent. The activity of the tßh- enzyme enables the alteration of the relative concentrations of octopamine and tyramine leading to behavioral modulation. Thus, this work provides a mechanism for behavioral plasticity achieved by amine level alterations.
Die biogenen Amine Tyramin und Octopamin sind in Invertebraten als wichtige Neuromodulatoren an unzähligen physiologischen Prozessen beteiligt. Sie ermöglichen die Modulation von Verhaltensantworten in Reaktion auf interne und externe Veränderungen. In dieser Arbeit wurde die Rolle von Octopamin und Tyramin in der Zuckerantwort und im Laufverhalten am Modellorganismus Drosophila melanogaster mit Hilfe genetischer Manipulation untersucht, in Folge derer sich die relative Menge der Amine verändert. Die Synthesemutante tßhnM18 (tyramine-ß-hydroxylase), die kein Octopamin aber einen Überschuss an Tyramin aufweist, wurde in zwei Verhaltensparadigmen getestet: im Proboscisextensionsassay (Hunger-abhängige Antwort auf Zucker) und in Buridan’s Assay (Laufgeschwindigkeit und visuelle Fixation). Im Proboscisextensionsassay zeigten gehungerte tßhnM18 Mutanten eine reduzierte Antwort auf Zucker, während die Konzentration der Kohlenhydrate in ihrer Hämolymphe im Vergleich zu Kontrollfliegen erhöht war. Des Weiteren wiesen sie eine längere Überlebensdauer ohne Futter auf. Zeitlich kontrollierte Rettungsversuche zeigten eine Aktivität des octopaminergen und tyraminergen Systems während der Antwort auf Zucker, während räumlich kontrollierte Rettungsversuche eine Aktivität des octopaminergen und tyraminergen Systems innerhalb und außerhalb des Nervensystems zeigten. Eine Analyse von Octopamin- und Tyraminrezeptoren ergab eine Beteiligung beider Amine in der physiologischen und neuronalen Reaktion auf Futterentzug. Im Buridanparadigma zeigten tßhnM18 Mutanten eine geringere Laufgeschwindigkeit und mehr Bewegung in Richtung der präsentierten Streifen. Die Ergebnisse der tßh-Überexpression und der Rezeptormutanten legten eine komplexe Interaktion zwischen den aminergen Systemen zur Bewegungskontrolle dar. Das Nullallel tßhnM18 wies differentielle Dominanzeffekte auf die drei getesteten Verhalten auf, die von rezessiv bis überdominant reichten. Die Daten lassen den Schluss zu, dass verschiedene neuronale Netzwerke für die drei Verhalten verantwortlich sind. Die Modulation von Zuckerantwort und visuelle Fixation korrelierten mit der tßh-Gendosis. Zusammenfassend zeigen die hier präsentierten Daten die Zusammenarbeit zweier biogener Amine bei der Kontrolle von Verhaltensmustern, die nicht nur im Gehirn, sondern auch nicht neuronal stattfindet. Die Veränderung der relativen Mengen von Octopamin und Tyramin durch tßh-Induktion ist ein möglicher Mechanismus für die Verhaltensmodulation, der durch Stress ausgelöst werden könnte. Diese Modulation wird von der tßh-Gendosis beeinflusst.
