TY  - THES
A1  - Schmitt, Dominique
T1  - Initial characterization of mouse Syap1 in the nervous system: Search for interaction partners, effects of gene knockdown and knockout, and tissue distribution with focus on the adult brain
T1  - Erste Charakterisierung des Maus-Syap1 im Nervensystem: Suche nach Interaktionspartnern, Auswirkungen von Gen-Knockdown und-Knockout sowie Untersuchungen über die Verteilung im Gewebe mit Fokus auf das adulte Gehirn
N2  - The synapse-associated protein of 47 kDa (Sap47) in Drosophila melanogaster is the founding member of a phylogenetically conserved protein family of hitherto unknown molecular function. Sap47 is localized throughout the entire neuropil of adult and larval brains and closely associated with glutamatergic presynaptic vesicles of larval motoneurons. Flies lacking the protein are viable and fertile and do not exhibit gross structural or marked behavioral deficiencies indicating that Sap47 is dispensable for basic synaptic function, or that its function is compensated by other related proteins. 
Syap1 - the mammalian homologue of Sap47 - was reported to play an essential role in Akt1 phosphorylation in various non-neuronal cells by promoting the association of mTORC2 with Akt1 which is critical for the downstream signaling cascade for adipogenesis. The function of Syap1 in the vertebrate nervous system, however, is unknown so far.
The present study provides a first description of the subcellular localization of mouse Syap1 in cultured motoneurons as well as in selected structures of the adult mouse nervous system and reports initial functional experiments. Preceding all descriptive experiments, commercially available Syap1 antibodies were tested for their specificity and suitability for this study. One antibody raised against the human protein was found to recognize specifically both the human and murine Syap1 protein, providing an indispensable tool for biochemical, immunocytochemical and immunohistochemical studies. 
In the course of this work, a Syap1 knockout mouse was established and investigated. These mice are viable and fertile and do not show obvious changes in morphology or phenotype. As observed for Sap47 in flies, Syap1 is widely distributed in the synaptic neuropil, particularly in regions rich in glutamatergic synapses but it was also detected at perinuclear Golgi-associated sites in certain groups of neuronal somata. In motoneurons the protein is especially observed in similar perinuclear structures, partially overlapping with Golgi markers and in axons, dendrites and axonal growth cones. Biochemical and immunohistochemical analyses showed widespread Syap1 expression in the central nervous system with regionally distinct distribution patterns in cerebellum, hippocampus or olfactory bulb. Besides its expression in neurons, Syap1 is also detected in non-neuronal tissue e.g. liver, kidney and muscle tissue. In contrast, non-neuronal cells in the brain lack the typical perinuclear accumulation.
First functional studies with cultured primary motoneurons on developmental, structural and functional aspects reveal no influence of Syap1 depletion on survival and morphological features such as axon length or dendritic length. Contrary to expectations, in neuronal tissues or cultured motoneurons a reduction of Akt phosphorylation at Ser473 or Thr308 was not detected after Syap1 knockdown or knockout.
N2  - Das Synapsen-assoziierte Protein von 47 kDa (Sap47) in Drosophila melanogaster ist das Gründungsmitglied einer phylogenetisch konservierten Proteinfamilie von unbekannter molekularer Funktion. Sap47 ist im gesamten Neuropil des adulten und larvalen Gehirns lokalisiert und mit glutamatergen, präsynaptischen Vesikeln in larvalen Motoneuronen assoziiert. Fliegen, denen das Protein fehlt, sind lebensfähig und fruchtbar und weisen keine schwerwiegenden strukturellen oder ausgeprägten verhaltensbezogenen Defizite auf, was darauf hinweist, dass Sap47 für eine basale synaptische Funktion entbehrlich ist beziehungsweise das Fehlen seiner Funktion durch andere, eventuell verwandte Proteine, kompensiert werden kann. 
Über Syap1 - das Säugetierhomolog von Sap47 - wurde berichtet, dass es in verschiedenen nicht-neuronalen Zellen eine essentielle Rolle in der Akt1 Phosphorylierung spielt, indem es die Assoziation von mTORC2 und Akt1 begünstigt, welche für den nachgeschalteten Signalweg bei der Adipogenese essentiell ist. Die Funktion von Syap1 im Vertebraten-Nervensystem ist dagegen bislang unbekannt. 
Die vorliegende Studie liefert die Erstbeschreibung von neuronalem Syap1 über die subzelluläre Lokalisation des Proteins in kultivierten Motoneuronen sowie die Verteilung in ausgewählten Strukturen des adulten Nervensystems der Maus und beschreibt initiale funktionelle Experimente. Allen beschreibenden Experimenten voran, wurden kommerziell erhältliche Syap1 Antikörper auf ihre Spezifität und Tauglichkeit für diese Studie getestet. Einer der Antikörper, der gegen das humane Protein hergestellt wurde, erkennt spezifisch sowohl das humane, als auch das murine Syap1 Protein und stellt somit ein unentbehrliches Werkzeug für alle biochemischen, immunzytochemischen und immunhistochemischen Untersuchungen dar. 
Im Zuge der Arbeit wurde eine Syap1-Knockout Maus untersucht, welche vital und fruchtbar ist und keine offensichtlichen Veränderungen in ihrem morphologischen Phänotyp aufweist. Wie auch Sap47 in Fliegen, ist Syap1 im synaptischen Neuropil weit verbreitet, insbesondere in Regionen, die reich an glutamatergen Synapsen sind, aber es wurde auch in einer deutlichen, Golgi-assoziierten Akkumulation in bestimmten Gruppen neuronaler Zellkörper beobachtet. In Motoneuronen wurde das Protein besonders in ähnlichen perinukleären Strukturen detektiert, welche zum Teil mit Golgi Markern überlappen und zudem in Axonen, Dendriten und Wachstumskegeln detektiert. Wie biochemische und immunhistochemische Untersuchungen ergaben, zeigt das Syap1 Protein eine weit verbreitete Expression im zentralen Nervensystem mit Regionen-spezifischem Verteilungsmuster wie es beispielsweise im Kleinhirn, dem Hippocampus oder dem olfaktorischen Bulbus beobachtet wurde. Neben der Expression in Neuronen wurde Syap1 auch in nicht neuronalen Geweben wie der Leber, Niere und im Muskel detektiert. Nicht-neuronalen Zellen im Gehirn fehlte dagegen die typische perinukleäre Akkumulation in immunhistochemischen Färbungen. Erste funktionelle Studien mit kultivierten primären Motoneuronen über entwicklungsbezogene, strukturelle und funktionelle Gesichtspunkte ergaben keinen Einfluss einer Syap1 Depletion auf das Überleben oder morphologische Merkmale wie Axon- oder Dendritenlänge. Entgegen den Erwartungen, wurde nach Syap1 Knockdown oder Knockout in neuronalem Gewebe oder kultivierten Motoneuronen keine Reduktion in der Akt1 Phosphorylierung an Ser473 oder Thr308 detektiert.
KW  - Synapse
KW  - Nervensystem
KW  - Motoneuron
KW  - Golgi-Apparat
KW  - Syap1
KW  - Sap47
KW  - Synapse-associated protein
KW  - Golgi apparatus
KW  - Synapsen assoziiert
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147319
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grünewald, Benedikt
T1  - Autoantikörper-vermittelte Störungen der synaptischen Übertragung im ZNS
T1  - Autoantibody mediated dysfunction of synaptic transmission in the CNS
N2  - Die Anzahl neurologischer Erkrankungen bei denen Autoantikörper gegen zentralnervöse An-tigene bekannt sind, hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Allerdings gibt es nur für wenige dieser Erkrankungen hinreichende experimentelle Belege für eine pathogene Wir-kung der Autoantikörper. Zwei dieser Erkrankungen wurden im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht: die Juvenile Neuronale Zeroid-Lipofuszinose (JNCL) mit Autoantikörpern gegen die 65 kD Isoform der Glutamatdecarboxylase und das Stiff Person Syndrom (SPS) mit Auto-antikörpern gegen Amphiphysin. Die phänotypische Charakterisierung der cln3 knockout-Maus, einem Mausmodell für die JNCL, zeigte eine progressive Verschlechterung der motorischen und koordinativen Fä-higkeiten, eingeschränktes reizbedingtes Lernen und gesteigertes angstähnliches Verhalten. Diese Symptome ähneln denen der humanen Erkrankung. Elektrophysiologisch konnte eine Antikörper-induzierte zerebelläre Dysfunktion identifiziert werden, die einer verminderten lokalen GABAergen Hemmung zugeordnet wird. Eine Reduktion der Antiköperproduktion im Tiermodell durch eine Depletion der Plasmazellen durch den Proteseinhibitor Bortezomib hatte einen positiven Effekt auf die Krankheitsentwicklung. Im zweiten experimentellen Teil der Arbeit wurde der Einfluss von Autoantikörpern gegen Amphiphysin von Patienten mit SPS auf die synaptische Transmission untersucht. Es zeigte sich hierbei in Patch-Clamp Experimenten eine Störung der GABAergen Übertragung v.a. bei hochfrequenter Stimulation, was im Einklang mit dem vermuteten Antikörper-induzierten Endozytosedefekt steht. Passiver Transfer von humanen Autoantikörpern gegen Amphiphysin induzierte angst-ähnliches Verhalten in Ratten, einem weiteren Kernsymptom des SPS. Aktive Immunisierung gegen Amphiphysin und anschließende Öffnung der Blut-Hirn-Schranke in Mäusen führte zu einer subklinischen Veränderung der Reflexverarbeitung von Ia Afferenzen auf Motoneurone im Rückenmark der Mäuse. Insgesamt konnten in zwei Erkrankungen des ZNS autoimmune Mechanismen identifi-ziert werden, die zu einer Antikörper-induzierten Fehlregulation der zentralen synaptischen Transmission führen. Diese Ergebnisse können wegweisend sein auch für die Erforschung der Pathophysiologie anderer Antikörper-assoziierte Erkrankungen des ZNS.
N2  - A growing number of neurological disorders are associated with autoantibodies targeting an-tigens within the central nervous system. Only in few cases experimental evidence corrobo-rates a pathogenic role of the autoantibodies. Two autoantibody associated diseases were investigated in detail in this work: the Juvenile neuronal ceroid lipofuscinoses (JNCL) with au-toantibodies against the 65kD isoform of the glutamate decarboxylase and the Stiff Person Syndrome (SPS) with autoantibodies against amphiphysin. The analysis of cln3 knockout mice, an animal model of the JNCL, revealed a phenotype resembling the human disorder, including progressive motor decline, limited cued learning and an increase in anxiety-related behavior. Electrophysiological analysis revealed an autoan-tibody mediated cerebellar dysfunction, which is best explained by diminished local GABAer-gic inhibition. A reduction of autoantibody production in the cln3 knockout mice by depletion of plasma cells after treatment with Bortezomib had a positive effect on the disease out-come. In the second experimental part, the effect of autoantibodies to amphiphysin from SPS patients on synaptic transmission was analysed. In patch-clamp experiments the GABAergic synaptic transmission was found to be disturbed primarily during high-frequent stimulation. This is in line with the hypothesized defect of synaptic vesicle endocytosis induced by autoan-tibodies. Passive transfer of human autoantibodies to rats induced anxiety-related behavior, a key symptom of SPS. The active immunization of mice against amphiphysin and subsequent opening of the blood brain barrier led to subclinical disturbances of the Ia afferent-motor neuron reflex pathway within the spinal cord. In conclusion, for two CNS disorders autoimmune mechanisms were identified leading to antibody-induced deregulations of central synaptic transmission. These findings may have implication for the research on pathomechanisms of other putative antibody mediated dis-orders.
KW  - Glutamat-Decarboxylase
KW  - Autoantigen
KW  - Nervensystem
KW  - Krankheit
KW  - Synapse
KW  - JNCL
KW  - Batten disease
KW  - GAD65
KW  - Autoantikörper
KW  - JNCL
KW  - Batten disease
KW  - autoantibodies
KW  - GAD65
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73283
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nuwal, Nidhi
T1  - Optogenetic investigation of nervous system functions using walking behavior and genome wide transcript analysis of Synapsin and Sap47 mutants of Drosophila
N2  - PART I Animals need to constantly evaluate their external environment in order to survive. In some cases the internal state of the animal changes to cope with it’s surrounding. In our study we wanted to investigate the role of amines in modulating internal states of Drosophila. We have designed a behavioral paradigm where the flies are fixed in space but can walk on a small styrofoam ball suspended by a gentle stream of air. The walking activity of flies was used as behavioral readout. PART I Animals need to constantly evaluate their external environment in order to survive. In some cases the internal state of the animal changes to cope with it’s surrounding. In our study we wanted to investigate the role of amines in modulating internal states of Drosophila. We have designed a behavioral paradigm where the flies are fixed in space but can walk on a small styrofoam ball suspended by a gentle stream of air. The walking activity of flies was used as behavioral readout. An operant training paradigm was established by coupling one of the walking directions to incidence of heat punishment. We observed that animals quickly realized the contingency of punishment with walking direction and avoided walking in the punished direction in the presence of punishment, but did not continue walking in the unpunished direction in the absence of the punishment. This would indicate that the flies do not form a memory for the punished direction or rapidly erase it under new conditions. On having established the paradigm with heat punishment we have attempted to activate selected subsets of neuronal populations of Drosophila while they were walking on the ball. The selective activation of neurons was achieved by expressing the light-activated ion channel channelrhodopsin-2 (ChR2) using the Gal4-UAS system and coupling the unidirectional walking of the animals on the ball with the incidence of blue light required to activate the channels and depolarize the neurons. The feasibility of this approach was tested by light-activating sugar sensitive gustatory receptor neurons expressing ChR2, we found that when the light was actuated the flies preferred to turn in one direction the optically “rewarded” direction. Next we similarly activated different subsets of aminergic neurons. We observed that in our setup animals avoided to turn in the direction which was coupled to activation of dopaminergic neurons indicating that release of dopamine is disliked by the animals. This is in accordance with associative learning experiments where dopamine is believed to underlie the formation of an association between a neutral conditioned stimulus with the aversive unconditioned stimulus. However, when we activated tyraminergic/octopaminergic neurons we did not observe any directional preference. The activation of dopaminergic and tyraminergic/octopaminergic neurons led to arousal of the animals indicating that we were indeed successful in activating those neurons. Also, the activation of serotonergic neurons did not have any effect on directional preference of the animals. With this newly established paradigm it will be interesting to find out if in insects like in mammals a reward mediating system exists and to test subsets of aminergic or peptidergic neurons that could possibly be involved in a reward signaling system which has not been detected in our study. Also, it would be interesting to localize neuropile regions that would be involved in mediating choice behavior in our paradigm. PART II In collaboration with S. Kneitz (IZKF Wuerzburg) and T. Nuwal we performed genome-wide expression analysis of two pre-synaptic mutants - Synapsin (Syn97) and Synapse associated protein of 47 kDa (Sap47156). The rationale behind these experiments was to identify genes that were up- or down-regulated due to these mutations. The microarray experiments provided us with several candidate genes some of which we have verified by qPCR. From our qPCR analysis we can conclude that out of the verified genes only Cirl transcripts seem to be reproducibly down regulated in Synapsin mutants. The Cirl gene codes for a calcium independent receptor for latrotoxin. Further qPCR experiments need to be performed to verify other candidate genes. The molecular interactions between CIRL and SYN or their genes should now be investigated in detail.
N2  - Teil I Lebewesen müssen beständig ihre äußere Umgebung auswerten, um überleben zu können. Manchmal ändern sich innere Zustände der Tiere, damit sie sich der Außenwelt anpassen. In unseren Untersuchungen wollten wir die Rolle von Aminen untersuchen, die für die Modulation von inneren Zuständen bei Drosophila notwendig sind. Wir haben ein Verhaltensparadigma entwickelt, bei dem die Fliege räumlich fixiert ist, aber auf einem Styroporball laufen kann, der auf einem Luftpolster schwebt. Die Laufaktivität der Fliege wird durch die Ballbewegungen anzeigt. Mit diesem Versuchsaufbau wurde ein operantes Lernparadigma etabliert, bei dem eine Laufrichtung mit Bestrafung durch Hitze gekoppelt wird. Wir konnten feststellen, dass die Tiere schnell den Zusammenhang zwischen dem Auftreten der Bestrafung und der Laufrichtung realisieren und die bestrafte Seite vermeiden. Wurde die eine Laufrichtung nicht mehr bestraft, so vermieden die Fliegen sie nicht mehr. Dies zeigt dass die Fliegen kein Gedächtnis für die bestrafte Richtung ausbilden oder es bei veränderten Bedingungen rasch löschen . Nachdem sich der Versuchsaufbau mit Hitzebestrafung bewährt hatte, wurde versucht, bestimmte Sub-population von Neuronen von Drosophila zu aktivieren, während die Fliege auf dem Ball läuft. Die selektive Aktivierung von Neuronen wurde durch die Expression des lichtaktivierten Jonenkanals Channelrhodopsin-2 (ChR-2) mit Hilfe des Gal4-UAS-System und Beleuchtung der Fliege mit Blaulicht erreicht, das die Kanäle aktiviert. Nun erfolgte eine Kopplung einer Laufrichtung auf dem Ball mit dem Auftreten von blauem Licht. Die Durchführbarkeit derartiger Experimente wurde durch die Aktivierung von zuckersensitiven gustatorischen Rezeptorneuronen getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Tiere bevorzugt die Richtung wählen, welche die Zuckerrezeptorneurone aktiviert. Anschließend aktivierten wir verschiedene Untergruppen von Neuronen des aminergen Systems. In diesem Versuchsaufbau beobachteten wir, dass die Tiere die Laufrichtung vermieden, die gekoppelt war mit der Aktivierung dopaminerger Neurone. Diese Ergebnisse stehen in Übereinstimmung mit Versuchen zum assoziativen Lernen, bei dem Dopamin wahrscheinlich notwendig ist für die Assoziation zwischen dem neutralen Konditionierungsstimulus und dem aversiven unkonditionierten Stimulus. Wenn wir jedoch die tyraminergen/oktopaminergen Neurone aktivierten, konnte keine gerichtete Präferenz nachgewiesen werden. Die Aktivierung dopaminerger und tyraminger/oktopaminerger Neurone führte jedoch zur Aktivitätssteigerung der Tiere, wodurch die erfolgreiche der Aktivierung der Neurone belegt wurde. Die Aktivierung serotonerger Neurone führte ebenfalls zu keinem Effekt in der Präferenz der Tiere. In zukünftigen Experimenten mit dem neu entwickelten Paradigma wäre es interessant, herauszufinden, ob in Insekten auch ein belohnungsabhängiges System existiert, vergleichbar dem von Säugern. So wäre die Identifizierung von Subpopulationen aminerger oder peptiderger Neurone des Belohnungssystems bei Insekten wichtig, da dies nicht in unseren Experimenten entdeckt wurde. Eine weitere interessante Fragestellung wäre, welche Gehirnstruktur die Richtungswahl auf dem Ball vermittelt. Teil II In Zussamenarbeit mit S. Kneitz (IZKF, Würzburg) und T. Nuwal wurde in der vorliegenden Arbeit die genomweite Genexpression einer Synapsin-Mutante (Syn97) und einer Mutante für das Synapsen-assoziierte-Protein von 47kDa (Sap47156) untersucht. Bei beiden Proteinen handelt es sich um präsynaptische Proteine von Drosophila. Ziel dieses Experiments war es, Gene zu identifizieren die aufgrund dieser Mutationen hoch bzw. herunterreguliert vorliegen. Durch das Microarray-Experiment wurden mehrere Kandidatengene entdeckt, wovon einige dieser Gene per qPCR-Versuchen verifiziert wurden. Aufgrund der qPCR-Analysen lässt sich schlussfolgern, dass nur das Cirl-Transkript in den Synapsin-Mutanten reproduzierbar herunterreguliert vorliegt. Das Cirl gene kodiert für einen Calcium independent receptor for Latrotoxin Weitere qPCR-Experimente sind notwendig, um die anderen Kandidatengene zu bestätigen. Die molekularen Interaktionen zwichen CIRL und Synapsin oder ihren Genen müssen nun im Detail untersucht werden.
KW  - Taufliege
KW  - Nervensystem
KW  - Amine
KW  - Synapsine
KW  - Optogenetik
KW  - Oktopamin
KW  - Dopamin
KW  - Channelrhodopsin
KW  - Synapsin
KW  - Sap47
KW  - Cirl
KW  - Optogenetic
KW  - Channelrhodopsin
KW  - Dopamine
KW  - Octopamine
KW  - Synapsin
KW  - Sap47
KW  - Cirl
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51694
ER  -