Localization of excitatory and inhibitory neurotransmitter receptors in an identified motoneuron of the Drosophila Flight System

Abstract

For efficient synaptic transmission, postsynaptic neuronal receptors need to be localized in precise apposition to presynaptic terminals that release the neurotransmitter. Modeling and electrophysiological studies have shown that the location of input synapses in complex dendritic trees can affect the computational properties of the postsynaptic neuron. First, this study defined the putative location of the spike initiating zone (SIZ) at the distal region of the primary neurite in the Drosophila flight motor neuron MN5. By exploiting the conserved morphology of identified dendritic sub-trees in different animals, a method was developed to predict the SIZ with 70 percent accuracy in MN5 preparations without sodium channel immunocytochemistry. This technique was then applied to investigate whether sub-dendritic targeting and clustering occurs in a transmitter specific manner in complex dendritic trees of the identified flight motor neuron MN5, located in a non-layered neuropil in Drosophila melanogaster. Nicotinic acetylcholine receptors containing Dα7 subunits mediate fast excitatory signaling at most synapses in the Drosophila escape circuit, including synapses to MN5. The most abundant fast inhibitory receptors in insect central neurons are ionotropic GABAA receptors. Immunocytochemistry and targeted expression of tagged receptors was used to map the expression of the Rdl subunit of the GABAA-R and the Dα7 subunit of the nicotinic AChR onto three-dimensional geometric reconstructions of MN5. The results indicate that putative excitatory and inhibitory synapse distributions localize mostly in inverse dendritic domains. Previous studies have predicted that during flight MN5 integrates tonic excitatory cholinergic drive into steady firing frequencies, and that those specific sequences of motor neuron firing are ensured by sharp inhibitory feedback within the central pattern generating network. Finally, native nAChR and Rdl type GABAA receptor distributions were documented during pupal development of Drosophila. Interestingly, the onset of dendritic growth seems to correlate with the expression-onset of nAChRs and Rdl receptors in the early pupal stages during Drosophila metamorphosis. These results support a proposed role for synaptic activity mediated by nAChR and GABAA-R in the development and growth of dendrites and synaptogenesis in Drosophila motor neurons.

Für die effiziente Weiterleitung von synaptischen Potenzialen ist es von Nöten, dass postsynaptische Rezeptoren präzise ihren präsynaptischen Terminalen gegenüber liegen. Modelling und elektrophysiologische Studien haben gezeigt, dass die Position von Eingangssynapsen in komplexen dendritischen Bäumen die Signalverarbeitung in postsynaptischen Neuronen stark beeinflusst. Im Zuge dieser Arbeit wurde zuerst die Position der Aktionspotenzialgenerierung (APG) untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Aktionspotenziale im motor neuron 5 (MN5) von Drosophila höchstwahrscheinlich in der distalen Region des primären Neuriten generiert werden. Basierend auf der konservierten Morphologie der dendritischen Unterbäume in MN5, konnte mit 70-prozentiger Wahrscheinlichkeit die Position der APG auch in anderen MN5-Präparationen ohne zusätzliche Natrium-Antikörper-Färbung geschätzt werden. Unter Zuhilfenahme dieser Schätzung wurden die relativen Positionen von Eingangssynapsen zur Position der APG untersucht. Die Fragestellung war, ob in dem komplexen dendritischen Baum von MN5 sich die Synapsen von verschiedenen Transmitter-Klassen in unterschiedlichen dendritischen Regionen konzentrieren. Nikotinischer Acetylcholin-Rezeptor (nAChR) mit der Dα7-Untereinheit ist für die Weiterleitung schneller exzitatorischer Signale im MN5 und in anderen Neuronen des Drosophila-Flucht-Reflexes-Kreislaufes verantwortlich. Der meistverbreitete Rezeptor, verantwortlich für die Weiterleitung schneller inhibitorischer Signale, ist der ionotropische GABAA- Rezeptor mit der Untereinheit Rdl. Die Verteilungsmuster der nAChR und GABAA- Rezeptoren auf MN5-Dendriten wurden unter Zuhilfenahme von gezielter Expression der Rdl- und Dα7-Untereinheit im MN5 und Immunozytochemie dokumentiert und dann auf dreidimensionale Rekonstruktionen der MN5 Oberfläche projiziert. Die gefundenen Verteilungsmuster für nAChR und GABAA-R zeigten, dass sich die Rezeptoren in verschiedenen dendritischen Regionen konzentrieren. Vorherige Studien haben spekuliert, dass tonisches Feuerverhalten von MN5 während des Fluges mit inhibitorischem Eingang moduliert und präzisiert wird. Die Verteilungsmuster von nAChR und GABAA-R unterstützen diese Vermutung. Des Weiteren wurden in dieser Arbeit die Verteilungsmuster von nAChR und GABAA-Rs während der Puppenentwicklung von Drosophila dokumentiert und in Verbindung mit der dendritischen Entwicklung von MN5 interpretiert. Interessanterweise fällt das Erscheinen von beiden Rezeptorklassen mit dem ersten Auswachsen von Dendriten in MN5 zusammen. Daher untermauern diese Daten die Rolle von synaptischer Aktivität bei der Entwicklung von Dendriten und Synapsen.