Interacción entre el reloj circadiano y comportamientos de postcópula de Drosophila melanogaster

Abstract

La presencia de un reloj endógeno permite a los animales anticiparse al ambiente y por lo tanto adaptarse mejor al mismo. En Drosophila melanogaster, aproximadamente ~150 neuronas del cerebro expresan los componentes moleculares del reloj endogeno y están organizadas en diferentes grupos según la expresión genética, la anatomía y la localización en el cerebro. Estas son: neuronas ventrolaterales (LNv) (que abarcan los grupos LNv pequeños y grandes), neuronas dorsolaterales (LNd), neuronas laterales posteriores (LPN) y neuronas dorsales (DN; separados en DN1, 2 y 3 y subdivididos en DN1 anterior (DN1a) y posterior (DN1p)). Sin embargo, las elecciones de comportamiento de un animal no están dadas únicamente por la entrada de estímulos externos, sino también por la integración de estímulos internos, asociados a estados fisiológicos. En esta tesis buscamos estudiar como los organismos ponderan las claves externas que reciben del medio ambiente que los rodea con las claves internas de su estado fisiológico para desarrollar distintos comportamientos. Elegimos a Drosophila melanogaster como animal modelo, debido a que de la misma se conocen varios comportamientos que son de carácter circadiano, es decir, que ocurren con una periodicidad cercana a las 24hs, pero que a su vez, se ha reportado que los mismos dependen de un claro estado fisiológico, el estado de apareamiento. Planteamos como hipótesis que existe una interacción entre el reloj circadiano y los comportamientos de post-cópula. Es decir, por un lado nuestra hipótesis es que el reloj circadiano controla la ritmicidad de algunos comportamientos de post-cópula y por otro, que el reloj sufre modificaciones gatilladas por las señales de apareamiento, que a su vez alteran la organización temporal de los ritmos, haciendo que éstos no sean los mismos antes o después de la cópula. Para responder a la primera parte de nuestra hipótesis elijemos estudiar la regulación circadiana de un comportamiento claramente controlado por el apareamiento como es las oviposición. Para lo cual desglosamos la importancia del reloj molecular de los distintos grupos de neuronas relojeras en el control de la ritmicidad de dicho comportamiento. Y encontramos que, mientras que el reloj de las neuronas LNvs y DN1 no parece ser necesario en la regulación de la ritmicidad de dicho comportamiento, el reloj de las neuronas relojeras LNds tiene un rol central en la regulación del mismo, ya que su eliminación en dichas neuronas genera arritmicidad de la puesta de huevos. Mas aun, encontramos que las LNds establecen contactos sinápticos con dos grupos de neuronas que intervienen en el programa motor de la puesta de huevos las oviIN y las pC1. Lo que refuerza la importancia de las LNds en la regulación de la ritmicidad de la oviposicion. Por otro lado, para responder a la segunda parte de nuestra hipótesis decidimos estudiar como el apareamiento afecta a un comportamiento que esta fuertemente regulado por el reloj circadiano, la actividad locomotora. Las moscas de la fruta, al menos en el laboratorio, tienen dos picos diarios de actividad consolidada, el primero de los cuales comienza algún tiempo antes de que se enciendan las luces, una propiedad que se conoce como anticipación matutina. La anticipación matutina es un rasgo que ha sido ampliamente caracterizado en los machos de Drosophila. Sin embargo, no ha sido explorado en profundidad en las hembras. En particular en este trabajo de tesis, encontramos que a las hembras luego del apareamiento se les altera la organización temporal del comportamiento locomotor, ya que pierden la capacidad de anticipar la mañana que se avecina. Se ha descripto que la mayoría de las respuestas posteriores al apareamiento, son desencadenadas por la transferencia de un péptido (denominado péptido sexual) del macho a la hembra durante la cópula. Ademas, se ha demostrado que muchas neuronas tienen receptores del péptido sexual, lo que les confiere la capacidad de iniciar diversas respuestas posteriores al apareamiento. Nosotros, aquí describimos que la pérdida de la anticipación matutina está relacionada con la transferencia de dicho péptido y que las neuronas spr+ ppk+ son las responsables de la supresión de la anticipacion de la mañana. Ademas, encontramos contactos postsinápticos de las neuronas spr+ ppk+ con las neuronas PDF + y mostramos que la activación del receptor del péptido sexual en las neuronas spr+ ppk+ se correlaciona con una disminución en la concentración de PDF, un neuropéptido circadiano clave que se sabe que está activamente involucrado en el control del pico de actividad matutina en Drosophila. Como conclusión de esta tesis podemos decir que, si bien el reloj endógeno confiere una ventaja adaptativa al permitir a los organismos anticiparse al entorno y ajustar su fisiología en consecuencia, no todas las señales del reloj son igualmente ponderadas para llevar a cabo los procesos fisiológicos. Existe un equilibrio entre la sincronización con el ambiente y ciertos estados fisiológicos. Las hembras de Drosophila, bajo la presión fisiológica del apareamiento, son un modelo útil para estudiar cómo los organismos ponderan estos estímulos. En algunos comportamientos, como la pérdida de anticipación matutina, se pondera el estado fisiológico sobre las claves temporales, mientras que en otros, como la oviposición, el estado fisiológico se acopla con las claves temporales respondiendo al reloj endógeno.

The presence of an endogenous clock allows animals to anticipate the environment and therefore adapt better to it. In Drosophila melanogaster, approximately 150 neurons in the brain express the molecular components of the endogenous clock and are organized into different groups based on gene expression, anatomy, and location in the brain. These are: ventrolateral neurons (LNv) (spanning the small and large LNv groups), dorsolateral neurons (LNd), lateral posterior neurons (LPN), and dorsal neurons (DN; separated into DN1, 2, and 3 and subdivided into anterior DN1 ( DN1a) and later (DN1p)). However, an animal's behavioral choices are not determined solely by the input of external stimuli, but also by the integration of internal stimuli, associated with physiological states. In this thesis we seek to study how organisms weigh the external cues they receive from the environment that surrounds them with the internal cues from their physiological state to develop different behaviors. We chose Drosophila melanogaster as a model animal, because several behaviors are known about it that are circadian in nature, that is, they occur with a periodicity close to 24 hours, but at the same time, it has been reported that they depend on a clear physiological state, the mating state. We hypothesize that there is an interaction between the circadian clock and post-copulatory behaviors. On the one hand, our hypothesis is that the circadian clock controls the rhythmicity of some post-copulatory behaviors and, on the other hand, that the clock undergoes modifications triggered by mating signals, which in turn alter the temporal organization of the rhythms, before or after copulation. To respond to the first part of our hypothesis we chose to study the circadian regulation of a behavior clearly controlled by mating such as oviposition. For this, we analyzed the importance of the molecular clock of the different groups of clock neurons in the control of the rhythmicity of oviposition. And we found that, while the clock of the LNvs and DN1 neurons does not seem to be necessary in the regulation of the rhythmicity of egg laying, the clock of the LNds neurons has a central role in its regulation, since its elimination in these neurons generates egg-laying arrhythmicity. Furthermore, we found that the LNds establish synaptic contacts with two groups of neurons that intervene in the egg-laying motor program, the oviIN and the pC1. Which reinforces the importance of the LNds in regulating the rhythmicity of oviposition. On the other hand, to answer the second part of our hypothesis we decided to study how mating affects locomotor activity, a behavior that is strongly regulated by the circadian clock. Fruit flies, at least in the laboratory, have two daily peaks of consolidated activity, the first of which begins some time before the lights come on, a property known as morning anticipation. Morning anticipation is a trait that has been widely characterized in male Drosophila. However, it has not been explored in depth in females. In this thesis we found that females after mating have the temporal organization of locomotor behavior altered, since they lose the ability to anticipate the coming morning. It has been described that most post-mating responses are triggered by the transfer of a peptide called sex peptide from the male to the female during copulation. In addition, many neurons have been shown to have sex peptide receptors, which gives them the ability to initiate various post-mating responses. We here describe that the loss of morning anticipation is related to the transfer of the sex peptide and that spr+ ppk+ neurons are responsible for the morning anticipation suppression. Furthermore, we found postsynaptic contacts of spr+ ppk+ neurons with PDF+ neurons and showed that activation of the sex peptide receptor in spr+ ppk+ neurons correlates with a decrease in the concentration of PDF, a key circadian neuropeptide known to be actively involved in controlling the morning peak of activity in Drosophila. As a conclusion to this thesis we can say that although the endogenous clock confers an adaptive advantage by allowing organisms to anticipate the environment and adjust their physiology accordingly, not all of the clock signals are equally weighted to carry out physiological processes. There is a balance between synchronization with the environment and certain physiological states. Female Drosophila, under the physiological pressure of mating, are a useful model for studying how organisms weigh these stimuli. In some behaviors, such as loss of morning anticipation, the physiological state is weighted over temporal cues, while in others, such as oviposition, the physiological state is coupled to temporal cues by responding to the endogenous clock.