Title BEHAVIORAL AND GENETIC CHARACTERISTICS OF PSYCHOSTIMULANT-INDUCED NEURONAL PLASTICITY IN DROSOPHILA MELANOGASTER Title (english) Rad ne sadrži naslov na drugom jeziku. Author Ana Filošević Mentor Rozi Andretić Waldowski (mentor)Committee member Miranda Mladinić Pejatović (predsjednik povjerenstva)Committee member Dubravka Švob Štrac (član povjerenstva)Granter University of Rijeka Defense date and country 2018-01-29, Croatia Scientific / art field, BIOTECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 577 - Biochemistry. Molecular biology. Biophysics Abstract Addiction is characterized by compulsive drug seeking and taking despite the negative consequences. In the laboratory, addiction is studied as set of simple forms of behaviors (endophenotypes), some of which are locomotor sensitization (LS), a phenotype of the motor-activating effects and preferential consumption, a phenotype of rewarding effects. The aim of the thesis is to develop tests for inducing and quantifying cocaine (COC) and methamphetamine (METH) motor-activating and rewarding effect, and investigate genetic mechanisms underlying such neural plasticity.
We developed and optimized two new methods, FlyBong for measuring motor-activating effects, and a self-administration method. We show that repeated exposures to volatilized COC and METH induce LS in flies, and that flies prefer COC and METH containing food to regular food. Pharmacodynamics of COC and METH LS and preferential consumption depends on the dopamine transporter. Reduction of dopamine, serotonin and octopamine, did not completely abolish the locomotor sensitization to COC and METH, suggesting the involvement of other monoamines in this processes. Manipulation of dopaminergic and serotoninergic vesicular monoamine transporters (VMAT) using RNA interference (RNAi), indicated that locomotor sensitization and preference to COC and METH depend on functional VMAT.
LS to COC depends on several circadian genes, period (per), cycle (cyc) and Clock (Clk), leads to high levels of reactive oxygen species (ROS) production and is susceptible to the exogenous redox perturbation. LS to METH depends only on one circadian gene, Clk, leads to lower levels of ROS and is less susceptible to exogenous redox perturbation. The motor-activation and rewarding effects of COC depend on the circadian gene per, while METH depends on Clk, indicating differential involvement of circadian genes in these two processes. Pre-treatment with H2O2 led to different effects on sensitivity and LS to COC and METH suggesting that H2O2 might function as a neuromodulator, and that its role is drug-specific.
Here we developed new behavioral tests and described the effects of COC and METH on two forms of neuronal plasticity. Our new high throughput test for measuring LS is ideally suited for unbiased genetic screen or selection. We described likely circadian and redox influence on behavior that correlates with monoaminergic
V
regulation. We hypothesize that circadian genes and redox regulation work together to change the brain functioning after consumption of addictive drugs.
Abstract (croatian) Jednostavna definicija ovisnosti podrazumijeva kompulzivno traženje i primjenu sredstva ovisnosti unatoč negativnim posljedicama koje ima za organizam. Ovisnost se kod laboratorijskih životinja proučava kao niz jednostavnih ponašanja (endofenotipova) upotrebom optimiziranih bihevioralnih testova koji moraju biti objektivni, reproducibilni i kvantitativni. Ovisnost o psihostimulansima (PS) kokainu (COC) i metamfetaminu (METH) se može razložiti na jednostavnija ponašanja povezana s motoričkim (senzitizacija) i nagrađujućim (preferencijalna konzumacija) učinkom. Cilj ovog doktorskog rada je ispitati utjecaj COC i METH na motorički i nagrađujući učinak povezan s genetskim promjenama koje dovode do neuralne plastičnosti primjenom novo razvijenih testova za induciranje i kvantifikaciju ponašanja.
Tijekom mog doktorskog studija razvila sam i optimizirala novu metodu za mjerenje motoričke aktivnosti potaknute primjenom PS koju smo nazvali FlyBong. Upotrebom novog optimiziranog protokola „FlyBong“, utvrđeno je da akutno i opetovano izlaganje Drosophile volatiliziranom COC i METH inducira povećanje motoričkog odgovora. Istražena je farmakodinamička sličnost između mehanizma djelovanja COC i METH te utjecaj monoamina dopamina, serotonina i oktopamina na bihevioralni odgovor kod akutne i opetovane primjene PS. Testirala sam hipotezu da su cirkadijalni geni period, timeless, clock, cycle i pigment-dispersing factor uključeni u endofenotip senzitizacije na COC i METH. Senzitizacija potaknuta s COC nije prisutna kod per01, cyc01 i ClkJrk mutanata, dok senzitizacija na METH nije prisutna kod ClkJrk mutanata. Izmjerila sam utjecaj COC i METH na sistemske biomarkere redoks statusa: katalazu, superoksid dismutazu, vodikov peroksid i reaktivne kisikove vrste čime sam pokazala da COC sistemski inducira veći, a METH manji pomak oksidativnog statusa Testirala sam utjecaj predtretmana s anti- i prooksidansima na motorički odgovor kod akutne i opetovane primjene COC i METH, čime sam pokazala da antioksidansi utišavaju senzitizaciju na METH, dok kod COC senzitizacija nije prisutna. Istražila sam potencijalnu neuromodulatornu i oksido-redukcijsku ulogu vodikovoga peroksida povezanu s predtretmanom koji nije uzrokovao sistemski pomak oksidativnog statusa, ali je utjecao na endofenotip senzitizacije. Testirana je hipoteza korelacije broja cirkadijanih gena i osjetljivosti na redoks status u ovisnosti o PS. Nađeno je da PS koji ovisi o više cirkadijalnih gena te uzrokuje veću sistemsku redoks preturbaciju pokazuje veću osjetljivost na promjenu redoks statusa u endofenotipu
VII
senzitizacije ako je pred tretman anti- ili prooksidativan, dok PS koji ovisi o manjem broju cirkadijalnih gena, uzrokuje manju sistemsku redoks preturbaciju te pokazuje manju osjetljivost na promjenu redoks statusa više orijentiranu na predtretman s molekulama manjeg antioksidativnog kapaciteta.
Kako bi ispitala da li PS utječu ma motivaciju za konzumacijom optimizirala sam test samo-administracije (Capillary Feeding, CAFE) gdje mušice biraju između otopine šećera i otopine šećera pomiješane s PS. Ovim istraživanjem je nađeno da mušice kojima je ponuđen izbor između otopine šećera i otopine šećera pomiješane s PS pokazuju preferenciju prema otopini s PS, koja je posljedica nagrađujućeg efekta PS. Nađeno je da su procesi učenja i pamćenja povezani s periferijalnom konzumacijom te da će mušice preferencijalno konzumirati otopinu s PS unatoč dodatku supstance gorkog okusa. Ukoliko se mušicama koje su izložene PS nekoliko dana za redom, jedan dan ne ponudi PS te ih se nakon toga ponovno izloži izboru između otopine šećera i otopine šećera i PS, mušice će pokazivati jednaku ili veću preferenciju za PS kao što je bila prije perioda apstinencije. Istražen je utjecaj cirkadijalnih gena te receptora i prijenosnika povezanih s farmakodinamičkim djelovanjem COC i METH na nagrađujući učinak. Pokazala sam da se preferencijalna konzumacija COC i METH razlikuje po tipu cirkadijalnih gena koji na nju utječu, a neki od njih kontroliraju motoričku senzitizaciju. Ovi rezultati upućuju na mogući zajednički genetski mehanizam koji je u podlozi preferencijalne konzumacije, kao oblika nagrađujućeg utjecaja PS i motoričke senzitizacije.
Ishodi mojeg doktorskog rada rezultirali su razvojem dvije nove objektivne i visokoprotočne metode za kvantifikaciju ponašanja Drosophile koja će omogućiti naredna istraživanja genetske osnove neuralne plastičnosti izazvane PS korištenjem metode genetskog probira ili genetske selekcije. Daljnja istraživanja cirkadijalnih/redoks povratnih spregi potaknutih primjenom COC i METH trebala bi pomoći u razumijevanju mehanizma kojima PS mijenjaju neuronske mreže, te usmjeravanju u nove potencijalne farmakološke smjerove razvoja lijekova za prevenciju i liječenje ovisnost
Keywords
Drosophila melanogaster
psychostimulants
neuroplasticity
circadian/redox feedback loops
Keywords (croatian)
Drosophila melanogaster
psihostimulansi
neuralna plastičnost
cirkadijalne/redoks povratne sprege
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:193:851086 Study programme Title: Medicinal chemistry Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2018-01-29 11:26:07
