Molecular and genetic analysis of Drosophila melanogaster female reproductive behaviours

Angeborene Verhalten sind essentiell für viele Aspekte im Leben eines Tieres, aus diesem Grund sind sie robust und werden auf vielen Ebenen durch interne und externe Faktoren reguliert. Die Netzwerke, die diesen Verhalten unterliegen bestehen aus vorgeformten Verbindungen zwischen Neuronen im Nervensystem. Wir finden ähnliche Verhaltensweisen in verschiedenen Arten - von hoch entwickelten bis einfachen, jedoch genetisch zugänglichen, Organismen. Daher bieten angeborene Verhaltensweisen ein gutes Modell um zu untersuchen wie Gene Neuronaktivität regulieren und damit verschieden Verhaltensmuster erzeugen. Bei vielen Arten ist das Paarungsverhalten ein sehr wichtiges angeborenes Verhalten, dass notwendig ist für das Überleben und den Erhalt der Art. Paarungsverhalten sind auf vielen Ebenen reguliert. So durchlaufen zum Beispiel Weibchen in vielen Arten nach der Paarung eine dramatische Veränderung hinsichtlich ihres reproduktiven Verhaltens und ihrer internen Physiologie. In vielen Insekten wird dieser Wandel durch Faktoren hervorgerufen, die in der männlichen Samenflüssigkeit vorkommen. Wie diese Faktoren derartige tiefgreifende Effekte hervorrufen ist erst wenig verstanden. Um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die diesem Phänomen in Drosophila melanogaster unterliegen, haben wir eine Assay etabliert, das das Eierlegverhalten adressiert. Mit Hilfe dieses Assays ist es möglich den Paarungsstatus zusammen mit der Verhaltensänderung -vom jungfräulichen zum gepaarten Zustand-in hohem Durchsatz zu analysieren. Basierend auf diesem Assay haben wir, unter Nutzung einer induzierbaren RNAi -Bibliothek, einen genomweiten neuronalen Screen durchgeführt. Dieser Screen enthüllte Gene, die involviert sind in die Rezeptivität, das Eierlegeverhalten sowie die Post-Paarungsverhaltensänderung von Drosophila melanogaster Weibchen. Das erste Gen, das wir untersucht haben ist der Rezeptor für das sogenannte Sex Peptid (SP), dem Hauptfaktor für die Post-Paarungsverhaltensänderung bei Weibchen dieser Art. Der Sex Peptid Rezeptor (SPR) ist ein G-Protein gekoppelter Rezeptor, der das Sex Peptid im nanomolar Bereich spezfisch bindet. Er wird im reproductiven Trakt in Weibchen und dem Zentralnervensystem beider Geschlechter exprimiert. Weibchen, denen die Rezeptoraktivität entweder völlig oder nur im Zentralnervensystem fehlt können nicht auf die Präsents des Sex Peptides reagieren und behalten ihr jungfräuliches Verhalten selbst nach der Paarung bei. Wir haben außerdem die Gene Tβh und VMAT, die die Biosynthese und den Transport des Neurotranmitters Oktopamin regulieren, identifiziert. Da ihre Unterdrückung Post-Paarungsdefekte ähnlich denen der SPR Mutanten hervorruft, haben wir erste Verhaltensanalysen druchgeführt. Diese haben ergeben, dass obwohl Tβh mutante Weibchen keine Post-Paarungsverhaltensänderungen zeigen, sie dennoch auf hohe Dosen injezierten Sex Peptids reagieren.Innate behaviours are essential for many aspects of animal lifespan; therefore they are robust and regulated at multiple levels. These behaviours are hard wired in the nervous system and are regulated by internal and external factors. Moreover, analogous behaviours exist in many species from higher organisms to genetically tractable animal models. Thus, innate behaviours are good systems to study how genes regulate neurons to produce different behavioural responses. In many species, mating is an essential innate behaviour that is necessary for the survival and continuity of the species. It requires multiple levels of control on animal’s behaviour. For example in many species, mating induces a dramatic switch in female reproductive behaviour and physiology. In most insects, this switch is triggered by factors present in the male’s seminal fluid. How these factors exert such profound effects in females is poorly understood. In order to understand the molecular mechanisms underlying this phenomenon in female Drosophila melanogaster, we established a high throughput egg laying assay which allows us to check the mating status of the females together with the switch from virgin to mated stage in the nervous system. Based on this assay we performed a genome wide neuronal screen using an inducible RNAi library. The screen uncovered genes involved in female receptivity, egg laying and the neuronal switch mediating the transition in female behaviour after mating. The first gene we characterized from this screen is the receptor for the sex peptide (SP), the primary trigger of the post-mating response in this species. The sex peptide receptor (SPR) is a G-protein coupled receptor that is specifically activated by low nanomolar concentrations of SP. It is expressed in the female’s reproductive tract, and in the brain and ventral nerve cord of both sexes. Females that lack SPR function, either entirely or only in the nervous system, fail to respond to SP and continue to show virgin behaviours even after mating. We also identified Tβh and VMAT, genes regulating octopamine biosynthesis and transport respectively, with post-mating defects similar to SPR mutants. Therefore, we performed the initial behavioural analysis to check their possible relation with SPR signalling. We found, even though Tβh mutant females failed to show post mating responses, they responded to high amounts of injected SP