Investigation of the olfactory mechanism in drosophila

Abstract

Thousands of odorants carried in ambient air become detected with exquisite specificity and discrimination by far fewer in number olfactory receptors. Behavioral experiments so far strongly suggest that the insect olfactory system detects molecular vibrations and uses them to drive behavioral choices. Based on previous results, we investigated electrophysiologically the Olfactory Receptors (ORs) of antennae of four Drosophilids and assess their physiological response towards multiple odorant isotopologues. Certain deuterated odorants evoke larger electroantennogram (EAG) amplitudes, while the response to the normal odorant is higher for others. This suggests that there is differential activation of the same ORs or engagement of distinct OR sets by each isotopologue. In support of this, incorporation of as few as two deuteriums is sufficient to evoke measurable differential EAG amplitudes from their normal isotopologues and this cannot be correlated to the size of the deuterated molecule. Importantly, we show that inhibition of enzymes that prevalently catabolize odorants has no effect on the isotopologue-specific amplitude differences. Therefore, we conclude that in Drosophila isotopologue-differentiation does not depend on perireceptor mechanisms but likely occurs at the receptor itself. Additionally, our results strongly suggest that Drosophilids distinguish isotopologues not only electrophysiologically at the level of the receptors, but also as salient stimuli to drive behavioral choices. Finally, at the single receptor level, imaging and behavioral experiments with the Drosophila olfactory receptor Or22a support the differential activation model.

Χιλιάδες οσμoγόνα μόρια που μεταφέρονται στον αέρα, γίνονται αντιληπτά με ιδιαίτερη ακρίβεια και εξειδίκευση από σαφώς λιγότερους σε αριθμό οσφρητικούς υποδοχείς. Συμπεριφορικά πειράματα που έχουν ήδη γίνει, υποδεικνύουν σθεναρά ότι το οσφρητικό σύστημα των εντόμων ανιχνεύει τις μοριακές δονήσεις και τις χρησιμοποιεί για να οδηγήσει συμπεριφορικές επιλογές. Βασιζόμενοι σε προηγούμενα αποτελέσματα, διερευνήσαμε με την μέθοδο της ηλεκτροφυσιολογίας τους Οσφρητικούς Υποδοχείς (ΟΥ) στην κεραία τεσσάρων εκπροσώπων της οικογένειας των Δροσοφιλίδων και μετρήσαμε την φυσιολογική τους αντίδραση σε διάφορα ισοτοπόλογα οσμογονών μορίων. Συγκεκριμένα δευτεριωμένα οσμογόνα μόρια προκαλούν μεγαλύτερo πλάτος ηλεκτροαντεννοογραφημάτων (ΗΑΓ), ενώ σε άλλα ζεύγη ισοτοπολόγων, η απόκριση στο κανονικό οσμογόνο μόριο είναι υψηλότερη. Αυτό υποδεικνύει ότι υπάρχει διαφορετική ενεργοποίηση των ίδιων οσφρητικών υποδοχέων ή ενεργοποίηση διακριτών ομάδων ΟΥ από το κάθε ισοτοπόλογο. Σε στήριξη αυτού, αντικατάσταση μόνο δυο υδρογόνων από δευτέρια είναι αρκετή να προκαλέσει μετρήσιμες διαφορές στο πλάτος ΗΑΓ από αυτά των κανονικών ισοτοπολόγων και το γεγονός αυτό δεν μπορεί να συσχετισθεί με το μέγεθος του δευτεριώμενου μορίου. Σημαντικά, δείχνουμε ότι η αναστολή των ενζύμων που καταβολίζουν κυρίως οσφρητικά μόρια δεν έχει καμμία επίδραση στις συγκεκριμένες διαφορές πλάτους από προκύπτουν από τα διάφορα ισοτοπόλογα. Για το λόγο αυτό, καταλήγουμε ότι στη Δροσόφιλα η διαφορική ενεργοποίηση από τα ισοτοπόλογα δεν εξαρτάται από τους μηχανισμούς που δρουν στο περιβάλλον του υποδοχέα αλλά πιθανώς οφείλεται στον ίδιο τον υποδοχέα. Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματα μας δείχνουν καθαρά ότι οι Δροσοφιλίδες ξεχωρίζουν τα διάφορα ισοτοπόλογα όχι μόνο ηλεκτροφυσιολογικά στο επίπεδο των υποδοχέων αλλά και σαν σημαντικό ερέθισμα που ωθεί σε συμπεριφορικές επιλογές. Τέλος, στο επίπεδο του ενός μόνο υποδοχέα, απεικονιστικά και συμπεριφορικά πειράματα με τον οσφρητικό υποδοχέα της Δροσόφιλας Or22a υποστηρίζουν το μοντέλο της διαφορικής ενεργοποίησης.