Manuela Slavica Bartlang

• Due to the rotation of the earth in the solar system all inhabitants of our planet are exposed to regular environmental changes since more than 3.5 billion years. In order to anticipate these predictable changes in the environment, evolutionarily conserved biological rhythms have evolved in most organisms – ranging from ancient cyanobacteria up to human beings – and also at different levels of organization – from single cells up to behavior. These rhythms are endogenously generated by so called circadian clocks in our body and entrained to theDue to the rotation of the earth in the solar system all inhabitants of our planet are exposed to regular environmental changes since more than 3.5 billion years. In order to anticipate these predictable changes in the environment, evolutionarily conserved biological rhythms have evolved in most organisms – ranging from ancient cyanobacteria up to human beings – and also at different levels of organization – from single cells up to behavior. These rhythms are endogenously generated by so called circadian clocks in our body and entrained to the 24 h cycle by external timing cues. In multi-cellular organisms the majority of the cells in the body is equipped with such an oscillator. In mammals, the circadian system is structured in a hierarchical fashion: A central pacemaker resides in the bilateral suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus, while subsidiary peripheral clocks exist in nearly every tissue and organ. In contrast to the aforementioned recurrent environmental changes most organisms are also exposed to unpredictable changes in the environment. In order to adapt to these sudden alterations the acute activation of the stress response system, involving the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis and the sympathetic nervous system, displays a fundamental survival mechanism. However, if activation of the stress system becomes chronic, devastating somatic and affective disorders might be the consequence. At first glance, the circadian and the stress system seem to represent two separate bodily control systems that are involved in adaptation to predictable and unpredictable stimuli, respectively. However, both systems are fundamental for survival, and thus, communicate with each other at various levels. Early studies already demonstrated that stressor exposure at different times of the diurnal cycle generates different stress effects, whereupon the type of stressor plays a pivotal role. Moreover, alterations in the SCN and peripheral circadian clocks could be shown following stressor exposure. In cooperation with various co-workers, I investigated whether the stress responsiveness is modulated by the endogenous clock in a diurnal fashion and whether repeated psychosocial stress impacts the circadian clock depending on the time of day of stressor exposure. Therefore, male C57BL/6 mice were repeatedly exposed to a psychosocial stressor, either at the beginning of the inactive/light phase (SDL mice) or active/dark phase (SDD mice). Subsequently, different behavioral, physiological/endocrine and immunological/ inflammatory consequences were assessed. It could be shown that the effects of repeated psychosocial stressor exposure strongly depend on the time of day of stressor exposure. The present results demonstrate that repeated daily stressor exposure has a more negative outcome when applied during the active/dark phase compared to the inactive/light phase. Stressor exposure during the active phase resulted in a loss of general activity, decreased interest in an unfamiliar conspecific, a shift towards a more pro-inflammatory body milieu, and rhythm disturbances in plasma hormones, all representing well-accepted hallmarks of depression. In contrast, C57BL/6 mice exposed to the stressor in their inactive phase exhibited minor physiological alterations that might prevent the formation of the maladaptive consequences mentioned above, thus representing beneficial adaptations. The second focus of this thesis was put on the investigation of the effects of repeated psychosocial stressor exposure at different times of the light-dark cycle on various levels of the circadian system. An increased expression of the PERIOD2 (PER2) protein, which represents an essential core clock component, could be found in the SCN of mice repeatedly exposed to the stressor during their active phase. In consistence with the alterations in the central circadian pacemaker, the daily rhythm of different hormones and the activity rhythm were considerably affected by SDD. Mice exposed to the psychosocial stressor in their active phase showed a shifted, or absent, rhythm of the hormones corticosterone and leptin. Moreover, their activity was found to be phase-delayed, which seems to be attributable to the Period (Per) gene since Per1/Per2 double-mutants still exhibited their normal activity rhythm following 19 days of stressor exposure during the active phase. In contrast, a phase-advance in the peripheral adrenal gland clock could be seen in C57BL/6 mice subjected to the stressor during their inactive phase. This phase-shift might be required for maintaining the normal rhythmicity in hormonal release and activity. It has previously been suggested that activation of the HPA axis upon stressor exposure at different times of the light-dark cycle is depending on whether the stressor is of physical or psychological nature. Data from the HPA axis analysis now refine previous findings, indicating that psychosocial stressors also modulate HPA axis responses based on the time of day of stressor presentation. The present results demonstrate that HPA axis activity was reduced following repeated stressor exposure during the active phase. It is reasonable to speculate that this reduced basal activity of the stress system represents a failure in HPA axis adjustment, which could contribute to the negative consequences of repeated psychosocial stressor exposure during the dark phase. Taken together, it can be concluded that the endogenous clock in mice modulates the stress responsiveness in a circadian fashion and that repeated psychosocial stressor exposure affects the biological clock depending on the time of day of stressor presentation. Thereby, stressor exposure during the active phase results in a more negative outcome as compared to stressor experience during the inactive phase. It is assumed that the interaction between the circadian clock and the stress system is a complex issue that might ensure that the endogenous clock does not get out of synchrony in any order.…
• Aufgrund der Bewegung der Erde in unserem Sonnensystem sind alle Lebewesen auf unserem Planeten seit mehr als 3,5 Milliarden Jahren tagesperiodischen Veränderungen der Umweltbedingungen ausgesetzt. In Anpassung an diese zeitlichen Abläufe haben sich im Laufe der Evolution bei fast allen Organismen – vom Bakterium bis hin zum Menschen – und auf verschiedenen Ebenen – von der Zellebene bis zum Verhalten – biologische Rhythmen entwickelt, die von endogenen Uhren im Körper und äußeren Zeitgebern gesteuert werden. Bei vielzelligen OrganismenAufgrund der Bewegung der Erde in unserem Sonnensystem sind alle Lebewesen auf unserem Planeten seit mehr als 3,5 Milliarden Jahren tagesperiodischen Veränderungen der Umweltbedingungen ausgesetzt. In Anpassung an diese zeitlichen Abläufe haben sich im Laufe der Evolution bei fast allen Organismen – vom Bakterium bis hin zum Menschen – und auf verschiedenen Ebenen – von der Zellebene bis zum Verhalten – biologische Rhythmen entwickelt, die von endogenen Uhren im Körper und äußeren Zeitgebern gesteuert werden. Bei vielzelligen Organismen besitzen nahezu alle Zelltypen ihren eigenen Oszillator. In Säugetieren ist das zirkadiane System hierarchisch strukturiert. Der zentrale Schrittmacher der inneren Uhr befindet sich im bilateralen suprachiasmatischen Nukleus (SCN) des Hypothalamus, während untergeordnete periphere Taktgeber in beinahe jedem Gewebe und Organ oszillieren. Im Gegensatz zu den oben erwähnten regelmäßig wiederkehrenden Veränderungen der Umweltbedingungen sind die meisten Lebewesen ebenso unvorhersehbaren und raschen Umweltveränderungen ausgesetzt. In Anpassung an derartig plötzlich wechselnde Reizbedingungen ist die kurzfristige Aktivierung des Stress-Systems, bestehend aus der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (hypothalamic-pituitary-adrenal axis, HPA axis) und dem sympathischen Nervensystem, für eine adaptive Reaktion essentiell und sogar lebensnotwendig. Im Gegensatz dazu zählt eine andauernde/chronische Aktivierung des Stress-Systems zu den Risikofaktoren für eine Reihe von somatischen und affektiven Erkrankungen. Obwohl das zirkadiane System und das Stress-System auf den ersten Blick zwei verschiedene körperliche Anpassungssysteme darstellen, kommt es auf mehreren Ebenen zum wechselseitigen Einfluss. Es wurde bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass eine Stressorexposition zu unterschiedlichen Tageszeiten verschiedene Effekte hervorruft, wobei die Natur des Stressors dabei eine entscheidende Rolle spielt. Des Weiteren konnten Veränderungen im SCN und peripheren zirkadianen Uhren als Folge einer Stressorexposition aufgezeigt werden. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Kollegen wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit untersucht, ob die endogene Uhr die Stressempfindlichkeit tageszeitabhängig moduliert und ob wiederholter psychosozialer Stress die innere Uhr in Abhängigkeit von der Tageszeit der Stressorexposition beeinflusst. Männliche C57BL/6 Mäuse wurden daher entweder zu Beginn der inaktiven/Licht-Phase (SDL Mäuse) oder der aktiven/Dunkel-Phase (SDD Mäuse) wiederholt einem psycho-sozialem Stressor ausgesetzt. Im Anschluss wurden verschiedene Verhaltensweisen sowie physio¬logische/endo-krine und immunologische/inflammatorische Konsequenzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Effekte wiederholter Stressorexposition auf das Verhalten, die Physiologie und die Immunologie deutlich von der Tageszeit der Stressorexposition abhängt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass wiederholte Stressor¬exposition während der aktiven/Dunkel-Phase negativere Konsequenzen nach sich zieht als die Stressorexposition während der inaktiven/Licht-Phase. Wurden C57BL/6 Mäuse dem psychosozialen Stressor während ihrer aktiven Phase ausgesetzt, führte dies zu typischen Symptomen von depressiven Patienten wie z.B. einer Verringerung der Aktivität und des sozialen Erkundungsverhaltens, Entzündungserscheinungen, sowie Veränderungen in hormonalen Rhythmen im Plasma. Im Gegensatz dazu wiesen C57BL/6 Mäuse, die dem Stressor in ihrer inaktiven Phase begegneten, geringfügige physiologische Veränderungen auf, welche die Entstehung der oben genannten negativen Konsequenzen verhindern und somit positive Adaptationen darstellen könnten. Des Weiteren wurden in dieser Arbeit die Effekte wiederholter Stressorexposition zu unterschiedlichen Tageszeiten auf verschiedene Ebenen des zirkadianen Systems untersucht. Es konnte eine erhöhte Expression des PERIOD2 (PER2) Proteins, das einen essentiellen Bestandteil des zirkadianen Uhrenmechanismus darstellt, im SCN nach wiederholter Stressorexposition während der aktiven Phase festgestellt werden. Die Veränderung im zentralen Schrittmacher spiegelte sich auch in der Tagesrhythmik verschiedener Hormone sowie im rhythmischen Verhalten der Tiere wider. SDD Mäuse zeigten dabei einen verschobenen oder fehlenden Rhythmus in den Hormonen Corticosteron und Leptin. Des Weiteren war die Aktivität nach 19-tägiger Stressorexposition zu Beginn der aktiven Phase deutlich nach hinten verschoben. Dabei kommt dem Period (Per) Gen eine zentrale Bedeutung zu, da SDD Per1/Per2 Doppelmutanten keinen veränderten Aktivitätsrhythmus aufwiesen. Eine verfrühte Phasenlage der peripheren Uhr in der Nebenniere zeigte sich hingegen in C57BL/6 Mäusen, die dem Stressor während ihrer inaktiven Tageszeit ausgesetzt wurden. Diese Phasenverschiebung nach vorne könnte für die Aufrechterhaltung der Rhythmik im Verhalten und in der Hormonausschüttung eine Rolle spielen. Vorangehende Arbeiten wiesen bereits darauf hin, dass die HPA-Achsen-Aktivierung infolge einer Stressorexposition zu unterschiedlichen Tageszeiten davon abhängt, ob der Stressor von physischer oder psychologischer Natur ist. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erweitern die bestehenden Erkenntnisse insofern, als dass die HPA-Achsen-Antwort auch von psychosozialen Stressoren tageszeitabhängig beeinflusst wird. Die HPA-Achsen-Analyse dieser Arbeit zeigte eine verringerte Aktivität der Stressachse nach wiederholter Stressorexposition zu Beginn der aktiven Phase. Mit großer Wahrscheinlichkeit stellt diese Verringerung der basalen HPA-Achsen-Aktivität eine dysfunktionale Überadjustierung dar, die zu den negativen Konsequenzen in Folge der Stressorexposition während der aktiven Phase beitragen könnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die endogene Uhr in Mäusen die Stressempfindlichkeit tageszeitabhängig moduliert und dass wiederholter psychosozialer Stress die innere Uhr in Abhängigkeit von der Tageszeit der Stressorexposition beeinflusst. Dabei zieht die Stressorexposition während der aktiven Phase weitaus negativere Konsequenzen nach sich als die Stressor¬exposition in der inaktiven Phase. Aus den Daten kann geschlossen werden, dass die Wechselwirkung von der inneren Uhr und dem Stress-System einen komplexen Sachverhalt darstellt, der gewährleisten soll, dass die innere Uhr nicht beliebig aus dem Takt geraten kann.…