Rolle der CaM Kinase II bei der Umgestaltung des Nervensystems während der Metamorphose von Manduca sexta

Abstract

In dieser Arbeit wurden die Änderungen von Verteilung, Expression und Aktivität der Ca2+/Calmodulin-regulierten Proteinkinase II (CaM Kinase II) während der Metamorphose des Tabakschwärmers Manduca sexta im Hinblick auf eine mögliche Rolle dieser Kinase bei der Umorganisation des Nervensystems untersucht, die für die Anpassung an das Verhaltensrepertoire des adulten Insekts erforderlich ist. Einige larvale Motoneurone persistieren die Metamorphose und erfahren im Rahmen dieser Umorganisation einen Funktionswechsel, der mit drastischen Änderungen ihrer morphologischen und physiologischen Eigenschaften einhergeht. Eine Gruppe von Motoneuronen, die in der Larve an Kriechbewegungen beteiligt sind, ziehen sich zu Beginn der Metamorphose aus dem larvalen Netzwerk zurück und wachsen in zwei Phasen in das adulte Nervensystem ein, wo sie als Flugmotoneurone fungieren. In der ersten, hormonell gesteuerten, Wachstumsphase wachsen Dendriten aller Ordnungen gleichmäßig während in der zweiten, aktivitätsgesteuerten, Phase das Wachstum auf besonders feine Dendriten hoher Ordnung beschränkt ist. Der Wechsel der Phasen geht mit aktivitätsbedingtem dendritischem Kalziumeinstrom einher. Aufgrund von Studien an anderen Sy-stemen wurde es als sehr wahrscheinlich angesehen, daß CaM Kinase II diese Änderungen der dendritischen Kalziumkonzentration in morphologische Änderungen übersetzt oder zu-mindest an diesem Prozeß beteiligt ist. Daher wurden zunächst Experimente zur Charakteri- sierung der neuronalen CaM Kinase II in Manduca sexta durchgeführt. Die neuronale CaM Kinase II in Manduca besteht wahrscheinlich aus nur einer Untereinheit mit einem Moleku-largewicht von ca. 66 kD. Es konnte gezeigt werden, daß die Aktivitätsentwicklung der neu-ronalen CaM Kinase II in den Thorakalganglien mit dem Wechsel der Wachstumsphasen und dem dendritischen Kalziumeinstrom korreliert. Pharmakologische Blockade von Kalziumka-nälen während der Metamorphose führt zu einer Verringerung der CaM Kinase II Aktivität. Das bedeutet, daß die CaM Kinase II Aktivität in vivo durch neuronale Aktivität reguliert wird. Die Verteilung der CaM Kinase II innerhalb des thorakalen Nervensystems ändert sich während der Metamorphose. Am Ende der Larvalentwicklung kann eine starke Expression in Zellkörpern, Axonen und Neuropil beobachtet werden; die Verteilung am Ende der Metamor-phose im adulten Insekt ähnelt der im letzten Larvenstadium. Während der Puppenentwick- lung kommt es jedoch zu umfangreichen Änderungen bei der Verteilung der CaM Kinase II Expression, die mit den Änderungen des dendritischen Wachstumsverhaltens der DLM-Motoneuronen korrelieren. Die Expressionsentwicklung im Neuropil korreliert mit dem Wechsel der Wachstumsphasen nach der Hälfte der Puppenentwicklung, die in den sensori- schen Axonen mit dem Wechsel zwischen Retraktion aus dem larvalen Netzwerk und Integra-tion in das adulte Flugnetzwerk. Im ersten Viertel der Puppenentwicklung findet auch ein Wechsel der synaptischen CaM Kinase II Lokalisation von zunächst vorwiegend präsynap-tisch zu vorwiegend postsynaptisch statt, der ebenfalls mit dem Wechsel zwischen Retraktion und Integration korreliert. Im Motoneuron MN5, das zu den oben genannten persistierenden Motoneuronen gehört, ist im dendritischen Feld die CaM Kinase II zu Beginn der Metamor-phose vorwiegend synaptisch lokalisiert, während sie nach einem Viertel der Puppenentwick-lung vornehmlich außerhalb der Synapsen lokalisiert ist. Vorläufige Ergebnisse aus pharma-kologischen Manipulationsexperimenten geben erste Hinweise darauf, daß Inhibition der neu- ronalen CaM Kinase II das Dendritenwachstum bei den oben genannten Motoneuronen beeinflußt.

In this study, changes in dispersion, expression and activity of calcium/ calmodulin dependent protein kinase II (CaM kinase II) during the metamorphosis of the tabacco hornworm Mandu-ca sexta were investigated with regard to a putative role of this kinase in remodeling of the nervous system, which is necesary to accomodate the adult behaviour. Some larval motoneu-rons persist metamorphosis and are subject to a functional change, which is accompanied by drastic morphological and physiological changes. One group of motoneurons, which are in-volved in crawling movements in the larva, retract from the larval network at the beginning of metamorphosis and are integrated in the adult motor circuits, where they are flight motoneu-rons, innervating the dorsolongitudinal flight muscle (DLM). This integration is divided in two phases. In a first, hormonally controlled, growth phase dendrites of all orders grow even-ly while in the second phase growth is limited to very fine high order dendrites. The change of these growth phases is accompanied by activity dependent dendritic calcium influx. Based on studies in other systems, it was hypothezised, that CaM kinase II may translate changes in dendritic calcium concentration into morphological changes, or is at least involved in this process. Hence, experiments were conducted to characterizise neuronal CaM kinase II in Manduca sexta. Neuronal CaM kinase II in Manduca consists presumably of only one subunit with a molecular wheigt of approximatly 66 kD. It was shown, that the development of neu-ronal CaM kinase II activity in the thorathic ganglia correlates with the change of growth pha- ses and dendritic calcium influx. Pharmacological blockade of voltage dependent calcium channels during metamorphosis leads to a reduction of CaM kinase II activity. Therefore, the dispersion of CaM kinase II in the thorathic nervous system changes during metamorphosis. At the end of larval development, there is a strong expression in somata, axons and neuropil; the dispersion at the end of metamorphosis in the pharate adult insect is similar to the last lar-val stage. However, during pupal development there are general changes in dispersion of CaM kinase II expression, which correlate with the changes in dendritic growth modus of DLM flight motoneurons. In the neuropil, the changes in expression correlate in time with the change of dendritic growth phases in some motoneurons, in the axons they correlate with the change between retraction from the larval network and integration in the adult flight network. In the first quarter of pupal development, there is also a change of synaptic CaM kinase II localization from initially predominantly presynaptic to predominantly postsynaptic. This also correlates with the change between retraction and integration. In the motoneuron MN5, which belongs to the group of persisting neurons, CaM kinase II is localized at synaptic sites at the onset of metamorphosis, but extrasynaptically after the first quarter of pupal development. Preliminary results from pharmacological manipulation experiments give a first hint, that in-hibition of neuronal CaM kinase II may influence dendritic growth behaviour of the DLM flight motoneurons.