TY  - THES
A1  - Lüffe, Teresa Magdalena
T1  - Behavioral and pharmacological validation of genetic zebrafish models for ADHD
T1  - Pharmakologische und verhaltensbasierte Validierung genetischer Zebrafischmodelle für ADHS
N2  - Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is the most prevalent neurodevelopmental disorder described in psychiatry today. ADHD arises during early childhood and is characterized by an age-inappropriate level of inattention, hyperactivity, impulsivity, and partially emotional dysregulation. Besides, substantial psychiatric comorbidity further broadens the symptomatic spectrum. Despite advances in ADHD research by genetic- and imaging studies, the etiopathogenesis of ADHD remains largely unclear. Twin studies suggest a heritability of 70-80 % that, based on genome-wide investigations, is assumed to be polygenic and a mixed composite of small and large, common and rare genetic variants. In recent years the number of genetic risk candidates is continuously increased. However, for most, a biological link to neuropathology and symptomatology of the patient is still missing. Uncovering this link is vital for a better understanding of the disorder, the identification of new treatment targets, and therefore the development of a more targeted and possibly personalized therapy. 
The present thesis addresses the issue for the ADHD risk candidates GRM8, FOXP2, and GAD1. By establishing loss of function zebrafish models, using CRISPR/Cas9 derived mutagenesis and antisense oligonucleotides, and studying them for morphological, functional, and behavioral alterations, it provides novel insights into the candidate's contribution to neuropathology and ADHD associated phenotypes. Using locomotor activity as behavioral read-out, the present work identified a genetic and functional implication of Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b in ADHD associated hyperactivity. Further, it provides substantial evidence that the function of Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b in activity regulation involves GABAergic signaling. Preliminary indications suggest that the three candidates interfere with GABAergic signaling in the ventral forebrain/striatum. However, according to present and previous data, via different biological mechanisms such as GABA synthesis, transmitter release regulation, synapse formation and/or transcriptional regulation of synaptic components. Intriguingly, this work further demonstrates that the activity regulating circuit, affected upon Foxp2 and Gad1b loss of function, is involved in the therapeutic effect mechanism of methylphenidate. Altogether, the present thesis identified altered GABAergic signaling in activity regulating circuits in, presumably, the ventral forebrain as neuropathological underpinning of ADHD associated hyperactivity. Further, it demonstrates altered GABAergic signaling as mechanistic link between the genetic disruption of Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b and ADHD symptomatology like hyperactivity. Thus, this thesis highlights GABAergic signaling in activity regulating circuits and, in this context, Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b as exciting targets for future investigations on ADHD etiopathogenesis and the development of novel therapeutic interventions for ADHD related hyperactivity. Additionally, thigmotaxis measurements suggest Grm8a, Grm8b, and Gad1b as interesting candidates for prospective studies on comorbid anxiety in ADHD. Furthermore, expression analysis in foxp2 mutants demonstrates Foxp2 as regulator of ADHD associated gene sets and neurodevelopmental disorder (NDD) overarching genetic and functional networks with possible implications for ADHD polygenicity and comorbidity. Finally, with the characterization of gene expression patterns and the generation and validation of genetic zebrafish models for Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b, the present thesis laid the groundwork for future research efforts, for instance, the identification of the functional circuit(s) and biological mechanism(s) by which Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b loss of function interfere with GABAergic signaling and ultimately induce hyperactivity.
N2  - Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) ist mit einer weltweiten Prävalenz von rund 5 % die am häufigsten vorkommende Neuroentwicklungsstörung. Das Krankheitsbild, das zumeist im Kindesalter auftritt und bis ins Erwachsenenalter bestehen kann, zeigt sich im Wesentlichen durch eine Beeinträchtigung der Aufmerksamkeit, der Aktivität, der Impuls-kontrolle und zum Teil durch emotionale Dysregulation. Darüber hinaus führt das vermehrte Auftreten von psychischen Begleiterkrankungen (so genannte Komorbiditäten) zu einer komplexen Symptomatik vieler Betroffener, die über die klassischen Merkmale von ADHS hinausgeht. Während das Krankheitsbild vielfach beschrieben wurde, ist die Ätiopathogenese trotz intensiver wissenschaftlicher Bemühungen bis heute weitestgehend ungeklärt. Zwillingsstudien weisen darauf hin, dass ADHS zu 70-80 % erblich bedingt ist. Aufgrund mehrerer Genom-Studien wird vermutet, dass es sich dabei um eine polygene Vererbbarkeit handelt und sowohl kleine (SNPs), verhältnismäßig häufig auftretende, als auch große (CNVs) verhältnismäßig seltene Genpolymorphismen beteiligt sind. Die Anzahl der potenziellen Risikogene für ADHS ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen, jedoch ist es nach wie vor unklar, inwiefern und durch welche biologischen Prozesse die meisten zur Neuropathologie und Symptomatik von ADHS Patienten beitragen. Diese Prozesse zu identifizieren ist von zentraler Bedeutung für ein besseres Verständnis der Erkrankung, der Identifizierung neuer Angriffsziele und somit, der Entwicklung gezielterer und möglicherweise personalisierter Behandlungsmöglichkeiten. 
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Prozessen am Beispiel der potenziellen Risikogene GRM8, FOXP2 und GAD1. Durch die Etablierung und Validierung entsprechender (geneti-scher) Knockout und Knockdown Zebrafischmodelle und der anschließenden Untersuchung auf Verhaltens-, morphologische und funktionelle Veränderungen liefert die vorliegende Dissertation wichtige Erkenntnisse über die funktionelle Relevanz der einzelnen Kandidaten für die Neuropathologie und die Symptomatik von ADHS. Beispielsweise zeigen die erfassten Aktivitätsdaten von Knockdown und Knockout Larven, dass Grm8a, Grm8b, Foxp2 und Gad1b an der Regulation von Bewegungsaktivität beteiligt sind und dass dies, die korrekte Funktion GABAerger Prozesse bedarf. Des Weiteren liefert die Arbeit Hinweise, dass der Effekt im Subpallium/Striatum verankert ist. Jedoch ist aufgrund vorliegender und bereits publizierter Daten anzunehmen, dass im Falle der einzelnen Kandidaten, zum Teil unterschiedliche Me-chanismen wie die Transmittersynthese, die Transmitterfreisetzung, die Synapsenbildung und die Expression synaptischer Komponenten betroffen sind. Interessanterweise scheinen die durch die Kandidaten betroffenen Signalwege außerdem, laut erhobener Daten, am Wirkmechanismus von Methylphenidat beteiligt zu sein. Kurzum, die vorliegende Dissertation identifiziert die Beeinträchtigung GABAerger Signalübertragung eines, mutmaßlich subpallialen/striatalen aktivitäts-regulierenden neuronalen Netzwerks als neurobiologische Grundlage ADHS-assoziierter Hyperaktivität. Gleichzeitig präsentiert die Arbeit diese Prozesse als funktionelles Bindeglied zwischen der genetischen Veränderung von GRM8, FOXP2 und GAD1 und Hyperaktivität in ADHS. Folglich sind die entwicklungs- und neurobiologischen Mechanismen rund um die GABAerge Übertragung in diesem Netzwerk, und in diesem Zusammenhang die Funktion von Grm8a, (Grm8b), Foxp2 und Gad1b, spannende Ziele für zukünftige Projekte zur Erforschung der Ätiopathogenese und der Entwicklung neuer Therapien von Hyperakti-vität in ADHS. Neben der Rolle in ADHS-assoziierter Hyperaktivität, präsentieren die erhobenen Verhaltensdaten Grm8a, Grm8b und Gad1b außerdem, als interessante Kandidaten für die Erforschung komorbider Angststörung in ADHS. Foxp2 dagegen, wurde mit Hilfe einer Genexpressionsanalyse als Regulator zahlreicher ADHS Risikogene und Entwicklungsstörungs-übergreifenden genetischen und funktionellen Netzwerken, mit möglicher Relevanz für die Polygenie und Komorbidität von ADHS, identifiziert. Im Allgemeinen schafft die vorliegende Dissertation mit der Bestimmung der Genexpressionsmuster und Etablierung und Validierung der (genetischen) Zebrafischmodelle für Grm8a, Grm8b, Foxp2 und Gad1b die Grundlage, diese und weitere Aspekte in zukünftigen Forschungsprojekten zu untersuchen. Beispielsweise die Identifizierung der Netzwerke und Mechanismen, mit dessen Hilfe Grm8a, (Grm8b), Foxp2 und Gad1b in die GABAerge Signalübertragung eingreifen und so letztlich die Aktivität beeinflussen.
KW  - ADHD
KW  - Zebrafish
KW  - FOXP2
KW  - GRM8
KW  - GAD1
KW  - Genetic etiology
KW  - Animal model
KW  - Thigmotaxis
KW  - Locomotor activity
KW  - Hyperactivity
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257168
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reuter, Isabel
T1  - Development and function of monoaminergic systems in the brain of zebrafish
T1  - Entwicklung und Funktion monoaminerger Systeme im Zebrafischgehirn
N2  - This thesis explores the development of monoaminergic systems in the central nervous system (CNS) of zebrafish. The serotonergic cells of the hypothalamus pose the main focus of the present work. Most vertebrates except for mammals possess serotonin (5-HT) synthesising cells in more than one region of the CNS. In zebrafish such regions are, e.g. the hypothalamus, the raphe nuclei and the spinal cord. Serotonin functions as a neurotransmitter and neuromodulator in the CNS. Presumably due to its neuromodulatory tasks hypothalamic serotonergic cells are in contact with the cerebrospinal fluid (CSF), which expands the field of potential serotonergic targets tremendously. This highlights that serotonergic CSF-contacting (CSF-c) cells are vital for the execution of many functions and behaviours. Further, the hypothalamic serotonergic clusters constitute the largest population of serotonergic cells in the CNS of zebrafish. Together, these facts emphasise the need to understand the development and function of serotonergic CSF-c cells in the hypothalamus. Few studies have dealt with this subject, hence, information about the development of these cells is scarce. The zinc-finger transcription factor fezf2, and Fibroblast growth factor (Fgf)-signalling via the ETS-domain transcription factor etv5b are known to regulate serotonergic cell development in the hypothalamus (Bosco et al., 2013; Rink and Guo, 2004). However, the main Fgf ligand responsible for this mediation has not been determined prior to this work. The present thesis identifies Fgf3 as a crucial Fgf ligand. To achieve this result three independent strategies to impair Fgf3 activity have been applied to zebrafish embryos: the fgf3t24152 mutant, an fgf3 morpholino-based knock-down and the CRISPR/Cas9 technique. The investigations show that Fgf3 regulates the development of monoaminergic CSF-c cells in the hypothalamus. Additionally, Fgf3 impacts on cells expressing the peptide hormone arginine vasopressin (avp). Most interestingly, the requirement for Fgf3 by these cells follows a caudo-rostral gradient with a higher dependence on Fgf3 by caudal cells. This also seems to be the case for dopaminergic CSF-c cells in the hypothalamus (Koch et al., 2014). Moreover, etv5b a downstream target of Fgf-signalling is demonstrated to be under the control of Fgf3. With regard to serotonergic CSF-c cell development, it is shown that fgf3 is expressed several hours before tph1a and 5-HT (Bellipanni et al., 2002; Bosco et al., 2013). Together with the result that the hypothalamus is already smaller before mature serotonergic CSF-c cells appear, this argues for an early impact of Fgf3 on serotonergic specification. This hypothesis is supported by several findings in this study: the universal decrease of proliferating cells in the hypothalamus and simultaneous increase of cell death after fgf3 impairment. Complementary cell fate experiments confirm that proliferating serotonergic progenitors need Fgf3 to commit serotonergic specification. Further, these results corroborate findings of an earlier study stating that hypothalamic serotonergic progenitors require Fgf-signalling via etv5b to maintain the progenitor pool (Bosco et al., 2013). Additionally, the transcriptome of the hypothalamus has been analysed and 13 previously overlooked transcripts of Fgf ligands are expressed at developmental stages. The transcriptome analysis provides evidence for a self-compensatory mechanism of fgf3 since expression of fgf3 is upregulated as a consequence of its own impairment. Moreover, the Fgf-signalling pathway appears to be mildly affected by fgf3 manipulation. Together, Fgf-signalling and especially Fgf3 are established to be of critical importance during hypothalamic development with effects on serotonergic, dopaminergic CSF-c and avp expressing cells. Furthermore, this thesis provides two strategies to impair the tph1a gene. Both strategies will facilitate investigations regarding the function of hypothalamic serotonergic CSF-c cells. Finally, the presented findings in this study provide insights into the emergence of the posterior recess region of the hypothalamus, thereby, contributing to the understanding of the evolution of the vertebrate hypothalamus.
N2  - Die vorliegende Dissertation untersucht die Entwicklung und Funktion monoaminerger Systeme im Zebrafischgehirn. Hierzu konzentriert sich die Studie hauptsächlich auf die serotonergen Zellen des Hypothalamus. Die meisten Vertebraten, außer Säugetiere, besitzen Serotonin (5-HT)-synthetisierende Zellen in mehr als einer Region im zentralen Nervensystem (ZNS). Solche Zellen lassen sich in Zebrafischen unter anderem im Hypothalamus, den Raphe Kernen und dem Rückenmark finden. Im ZNS agiert 5-HT als Neurotransmitter und als Neuromodulator. Es wird vermutet, dass, aufgrund der neuromodulatorischen Aufgaben des 5-HT, serotonerge Zellen mit ihren Vorsätzen mit der Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) in Kontakt stehen, wodurch der Wirkungsbereich dieser Zellen enorm vergrößert wird. Dies betont den weitläufigen Einfluss serotonerger CSF-kontaktierender (CSF-k) Zellen auf vielfältige Funktionen und Verhalten. Zudem bilden serotonerge Zellen des Hypothalamus die größte serotonerge Zellpopulation im ZNS des Zebrafisches. Zusammengefasst heben diese Fakten die Notwenigkeit hervor, die Entwicklung und die Funktion serotonerger Zellen im Hypothalamus genauer zu verstehen. Nur wenige Studien haben sich dieser Thematik bisher angenommen, weshalb Erkenntnisse über diese Zellen rar sind. Bereits bekannt ist, dass der Zinkfinger-Transkriptionsfaktor fezf2 und der Fibroblasten-Wachstumsfaktor (Fgf)-Signaltransduktionsweg über den ETS-Domäne-Transkriptionsfaktor etv5b Einfluss auf die Entwicklung serotonerger CSF-k Zellen des Hypothalamus nehmen (Bosco et al., 2013; Rink and Guo, 2004). Allerdings ist der Fgf-Ligand, der die Entwicklung serotonerger CSF-k Zellen reguliert, noch nicht bekannt. Die vorliegende Arbeit identifiziert Fgf3 als einen Schlüsselliganden in diesem Zusammenhang. Hierfür wurden drei unabhängige Strategien zur Beeinträchtigung der Fgf3-Aktivität in Zebrafischembryos angewendet: die fgf3t24152 Mutante, ein Morpholino-basierter fgf3 Gen-Knockdown und die CRISPR/Cas9-Methodik. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass Fgf3 die Entwicklung monoaminerger CSF-k Zellen des Hypothalamus maßgeblich reguliert. Zusätzlich beeinflusst Fgf3 auch die Genexpression des Peptidhormons arginine vasopressin (avp) in dieser Region. Interessanterweise sind caudale avp exprimierende Zellen abhängiger von Fgf3 als rostrale. Dies scheint auch der Fall für dopaminerge Zellpopulationen des Hypothalamus zu sein (Koch et al., 2014). Des Weiteren wird demonstriert, dass Fgf3 über den Fgf-Signalweg die Expression von etv5b kontrolliert. Bezüglich der Entwicklung serotonerger CSF-k Zellen wird gezeigt, dass die fgf3 Expression bereits einige Stunden vor tph1a und 5-HT im caudalen Hypothalamus vorhanden ist (Bellipanni et al., 2002; Bosco et al., 2013). Zusammen mit dem Ergebnis, dass die nkx2.4b Expressionsdomäne, die zur Kenntlichmachung des Hypothalamus verwendet wurde, ebenfalls in früheren Entwicklungsstadien eine verringerte Größe aufweist, führt dies zu der Annahme, dass Fgf3 Auswirkungen auf die serotonerge Zellspezifikation hat. Diese Hypothese wird durch folgende Beobachtungen in dieser Arbeit unterstützt: Proliferierende Zellen des gesamten caudalen Hypothalamus sind mehrheitlich reduziert nachdem fgf3 beeinträchtigt wurde, gleichzeitig ist der Zelltod erhöht. Des Weiteren wird gezeigt, dass serotonerge Vorläuferzellen Fgf3 benötigen, um einer serotonergen Spezialisierung zu folgen. Die beschriebenen Beobachtungen untermauern die Ergebnisse einer früheren Studie, wonach der Fgf-Signalweg und etv5b wichtige Rollen für die Erhaltung der Proliferation von serotonergen Vorläuferzellen einnehmen (Bosco et al., 2013). Zusätzlich werden durch die durchgeführte Transkriptomanalyse 13 zuvor übersehene Fgf Liganden identifiziert, die im Hypothalamus exprimiert werden. Die Transkriptomanalyse zeigt zudem, dass die Beeinträchtigung von fgf3 zu einer Zunahme der fgf3 Transkript Anzahl führt, weshalb ein Selbstkompensationsmechanismus von fgf3 vorzuliegen scheint. Komponenten des Fgf-Signalweges unterliegen geringen Veränderungen nach der Manipulation von fgf3. Zusammenfassend wird in dieser Dissertation der Ligand Fgf3 als essentieller Faktor für die Entwicklung des Hypothalamus etabliert. Dies wird durch die Fgf3 Abhängigkeit von serotonergen, dopaminergen CSF-k und avp exprimierenden Zellen in dieser Region bestätigt. Des Weiteren werden in dieser Arbeit zwei Strategien für die Beeinträchtigung von tph1a präsentiert, die Untersuchungen bezüglich der Funktion serotonerger CSF-k Zellen des Hypothalamus ermöglichen. Abschließend erlauben die Ergebnisse neue Einblicke in die Entwicklung der Region um den posterioren Ventrikelrezess des Hypothalamus. Dies trägt dazu bei, das Verständnis über die Evolution des Hypothalamus von Vertebraten zu erweitern.
KW  - Hypothalamus
KW  - Zebrabärbling
KW  - fgf
KW  - Serotonin
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204089
ER  -