Mein Labor beschäftigt sich mit der Erforschung der sensorischen Transduktion und des zirkadianen Rhythmus mit hauptsächlich zwei Modellinsekten, der Schwärmerin Manduca sexta und der Madeira-Schabe Rhyparobia maderae. Ich möchte verstehen, wie Insekten über Geruchsstoffe, sogenannte Pheromone, kommunizieren und wie diese Pheromone von olfaktorischen Rezeptorneuronen (ORNs) an den Fühlern des Insekts erkannt werden. Da ORNs außerdem zirkadiane Schrittmacher sind, möchte ich wissen, wie die Geruchserkennung während des Schlaf-Wach-Zyklus tageszeitabhängig moduliert wird. Mein Labor arbeitet an der olfaktorischen Transduktion von Sexualpheromonen der Schwärmerin Manduca sexta und der Madeira-Schabe Rhyparobia maderae. In den letzten vier Jahren konnten wir zeigen, dass zirkadiane Veränderungen in der Konzentration des Stresshormons Octopamin (bei den Insekten Noradrenalin) zirkadiane Rhythmen in der Empfindlichkeit der Antenne für Pheromone antreibt (Schendzielorz et al., 2015). Darüber hinaus ist es uns gelungen, die Pheromon-Transduktionskaskade zu analysieren (Übersicht: Stengl 2017). Männliche Habichtskäfer lokalisieren ihre Partner über die Detektion von Sexualpheromonen, die die weiblichen Habichtskäfer pulsatil abgeben. Die Frequenz der Pheromonimpulse kodiert die Entfernung zu den Weibchen in Aufwindrichtung. Die Männchen detektieren die Sexualpheromone mit hochsensiblen ORNs, die lange Haare am Fühler des Insekts innervieren. Auf den Flimmerhärchen der ORNs befinden sich Geruchsrezeptoren (ORs), die die Pheromonliganden erkennen und eine Pheromon-Transduktionskaskade in Gang setzen, die schließlich zum Einstrom positiver Ionen in das sensorische Neuron führt. Insekten verwenden wie Säugetiere 7-Transmembran-Rezeptormoleküle zur Geruchserkennung. Allerdings sind die beiden Rezeptorfamilien nicht miteinander verwandt, da die Insektenrezeptoren im Vergleich zu den Säugetierrezeptoren invers in die Plasmamembran eingebaut sind. Sie koexistieren mit einem zweiten Protein, genannt Orco (olfaktorischer Rezeptor-Korezeptor). ). Orco bildet Kationenkanäle, wenn es in heterologen Expressionssystemen exprimiert wird. Die Funktionen von Orco in der Pheromon-Transduktion sind umstritten. Während sich alle einig sind, dass Orco die ORs in der Zilienmembran lokalisiert und unterhält, ist es umstritten, ob Orco als Liganden-gesteuerter Rezeptor-Ionenkanal-Komplex direkt an der Geruchstransduktionskaskade beteiligt ist. Meist wurde auf der Basis heterologer Expressionsstudien angenommen, dass die Geruchstransduktion zunächst die ligandengesteuerte Öffnung von OR-Orco beinhaltet. Andere fanden eine zusätzliche G-Protein-abhängige Kaskade, die über OR-Orco-Interaktionen initiiert wird. Beim Habichtskäfer fanden wir jedoch keinen Hinweis auf Orco in einer ionotropen Pheromon-Transduktionskaskade, sondern fanden eine G-Protein-gekoppelte metabotrope Pheromon-Transduktion. Daher schlugen wir die neue Hypothese vor, dass Orco als second messenger- und spannungsgekoppelter Schrittmacherkanal fungiert (Stengl 2017; Nolte et al., 2016). Darüber hinaus haben wir zusammen mit Mitarbeitern am MPI in Jena den Pheromonrezeptor im Schwärmer identifiziert (Wicher et al., 2017) und Pheromon-Transduktionskanäle pharmakologisch charakterisiert (Gawalek et al., 2018).

In meinem zweiten Arbeitsgebiet analysiert mein Labor die zirkadiane Uhr der Madeira-Schabe (Reviews: Stengl et al., 2015; Stengl und Arendt, 2016). In einer CINSaT-Kollaboration mit dem Labor von Dr. Cyril Popov konnten wir zirkadiane Schrittmacherneuronen der Madeira-Schabe auf ultra-nano-kristallinen Diamantoberflächen viel stärker anhaften als mit anderen bisher eingesetzten Verfahren. Dadurch war es erstmals möglich, primäre Zellkulturen von zirkadianen Schrittmacherneuronen nicht nur physiologisch zu charakterisieren, sondern auch in immunzytochemischen Experimenten zu charakterisieren (Voss et al., 2016; Gestrich et al., 2018). So konnten wir erstmals zeigen, dass zirkadiane Schrittmacherneurone der Insektenuhr Autorezeptoren für ihr eigenes Neuropeptid Pigment-Dispersing-Factor (PDF) exprimieren, welches das wichtigste zirkadiane Kopplungssignal in der zirkadianen Uhr der Insekten ist (Gestrich et al., 2018). Diese Daten erlaubten es uns, eine neue Hypothese zur Funktion der zirkadianen Uhr bei der Kontrolle der Schlaf-Wach-Zyklen zu entwickeln. Darüber hinaus haben wir mit Hilfe von Mehrfachmarkierungs-Immunozytochemie das zelluläre Netzwerk der zirkadianen Uhr von Insekten weiter charakterisiert (Arendt et al., 2016, 2017; Giese et al., 2018a, b). Schließlich begannen wir in Kooperation mit dem Labor von Dr. Garcia und dem Labor von Dr. Herzel an der Charite in Berlin eine eingehende Analyse des zirkadianen Uhrennetzwerks und wie es die Schlaf-Wach-Zyklen in der Madeira-Schabe steuert (Rojas et al., eingereicht). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir in unseren beiden wissenschaftlichen Projekten beträchtliche Fortschritte gemacht haben, die auch durch Kooperationen innerhalb von CINSaT ermöglicht wurden.