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Auswirkungen unterschiedlicher Haltungsbedingungen auf Phänotyp und Genexpression im Mausmodell
(2015)
In zahlreichen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Umweltbedingungen im frühen Lebensalter einerseits die Entwicklung von Resilienz, d.h. Widerstandsfähigkeit gegenüber Stressoren, andererseits aber auch die Entwicklung physischer und psychischer Erkrankungen im weiteren Lebensverlauf beeinflussen können. Dabei wird angenommen, dass sich sowohl dezidiert positive als auch in Maßen aversive Umweltbedingungen mit rezidivierender Stressbelastung günstig auf die Resilienz im späteren Leben auswirken können. Auf neurobiologischer Ebene scheinen dabei das CRH und seine Rezeptoren (CRHR1 und CRHR2), das NPY-System sowie das NPS-System (insbesondere NPS-Rezeptor) eine besondere Rolle zu spielen. Jedoch sind die exakten Zusammenhänge und neurobiologischen Grundlagen weiterhin nur unzureichend aufgeklärt. Dies ist insbesondere insofern bedauernswert, da weiterer Erkenntnisgewinn auf diesem Gebiet möglicherweise Präventionsstrategien und Therapieoptionen für den Menschen begründen könnte. Um die Auswirkung der Umweltbedingungen im frühkindlichen Lebensalter auf die Resilienz im späteren Leben weiter aufzuklären, wurden im Rahmen dieser Arbeit insgesamt 310 Cd1-Mäuse den Haltungsbedingungen "Environmental Enrichment" (EE, Stimulation durch Spielobjekte) und "Maternal separation" (MS, wiederholte Stressbelastung durch Separation der Nachkommen vom Muttertier) sowie Standardhaltungsbedingungen unterworfen. Insgesamt 31 männlichen Tieren wurde im Alter von vier Wochen die Gehirne entnommen und aus diesen jeweils die Regionen Frontalcortex,
Striatum, Nucleus accumbens, Hippocampus, Amygdala, dorsale Nuclei raphes und Hypothalamus herauspräpariert. Aus den gewonnenen Proben wurde RNA extrahiert, hieraus cDNA synthetisiert und abschließend - nach Ausschluss von Kontamination und Integritätsprüfung - die Expressionsraten der untersuchten Gene mittels RT-qPCR quantifiziert. Um auch verhaltensbiologische Konsequenzen der unterschiedlichen Haltungsbedingungen zu erfassen, wurden außerdem 30 weibliche sowie 30 männliche Tiere im weiteren Lebensverlauf verschiedenen Verhaltenstests zugeführt. In den Sucrose-Präferenz-Tests zeigten sich Effekte der Haltungsbedingung auf Sucrose-Konsum und Präferenz mit signifikant geringeren Werten der Haltungsgruppe EE. Bei der Auswertung der Openfield-Tests fanden sich Gruppen-Geschlechter-Interaktionseffekte mit signifikant geringeren Werten (Gesamtstrecke, Strecke und Aufenthaltsdauer im zentralen Bereich, Eintritte in den zentralen Bereich) der weiblichen EE-Tiere. In den Barnes Maze-Tests benötigten die Tiere
der Haltungsgruppe EE an den meisten Testtagen signifikant weniger Zeit, um in die Escape-Box zu "entkommen". Auf neurobiologischer Ebene fanden sich signifikante Unterschiede der CRH-Expressionsraten in Amygdalae und Frontalcortex, der CRHR 1-Expressionsraten in Amygdalae und Hypothalamus sowie der CRHR2-Expressionsraten in Amygdalae und Hippocampus. Demgegenüber konnte kein signifikanter Effekt der Haltungsbedingung auf das NPY-System gefunden werden.
Jedoch ließen sich signifikante Unterschiede der NPSR1-Expressionsraten in Amygdalae, Frontalcortex, dorsalen Nuclei raphes und Hypothalamus feststellen. Es kann also grundsätzlich von Auswirkungen unterschiedlich aversiver Haltungsbedingungen auf die Stress-Resilienz von Versuchstieren ausgegangen werden. Dies ist einerseits für Tierversuche allgemein von grundsätzlicher Bedeutung. Andererseits legen die Resultate eine entsprechende frühkindliche "Programmierung" auch im Menschen nahe.
Early life stress, including exposure to prenatal stress (PS), has been shown to affect the developing brain and induce severe effects on emotional health in later life, concomitant with an increased risk for psychopathology. However, some individuals are more vulnerable to early-life stress, while others adapt successfully, i.e. they are resilient and do not succumb to adversity. The molecular substrates promoting resilience in some individuals and vulnerability in other individuals are as yet poorly investigated. A polymorphism in the serotonin transporter gene (5HTT/SLC6A4) has been suggested to play a modulatory role in mediating the effects of early-life adversity on psychopathology, thereby rendering carriers of the lower-expressing short (s)-allele more vulnerable to developmental adversity, while long (l)-allele carriers are relatively resilient. The molecular mechanisms underlying this gene x environment interaction (GxE) are not well understood, however, epigenetic mechanisms such as DNA methylation and histone modifications have been discussed to contribute as they are at the interface of environment and the genome. Moreover, developmental epigenetic programming has also been postulated to underlie differential vulnerability/resilience independent of genetic variation.
The present work comprises two projects investigating the effects of prenatal maternal restraint stress in 5-HTT deficient mice. In the first study, we examined to which extent previously observed changes in behavior and hippocampal gene expression of female 5-Htt+/- prenatally stressed (PS) offspring were associated with changes in DNA methylation patterns. Additionally, we investigated the expression of genes involved in myelination in hippocampus and amygdala of those animals using RT-qPCR. The genome-wide hippocampal DNA methylation screening was performed using methylated-DNA immunoprecipitation (MeDIP) on Affymetrix GeneChip® Mouse Promoter 1.0R arrays. In order to correlate individual gene-specific DNA methylation, mRNA expression and behavior, we used hippocampal DNA from the same mice as assessed before. 5-Htt genotype, PS and their interaction differentially affected the DNA methylation signature of numerous genes, a part of which were also differentially expressed. More specifically, we identified a differentially methylated region in the Myelin basic protein (Mbp) gene, which was associated with Mbp expression in a 5-Htt-, PS- and 5-Htt x PS-dependent manner. Subsequent fine-mapping linked the methylation status of two specific CpG sites in this region to Mbp expression and anxiety-related behavior. We furthermore found that not only the expression of Mbp but of large gene set associated with myelination was affected by a 5-Htt x PS interaction in a brain-region specific manner. In conclusion, hippocampal DNA methylation patterns and expression profiles of female PS 5-Htt+/- mice suggest that distinct molecular mechanisms, some of which are associated with changes in gene promoter methylation, and processes associated with myelination contribute to the behavioral effects of the 5-Htt genotype, PS exposure, and their interaction.
In the second study, we aimed at investing the molecular substrates underlying resilience to PS. For this purpose, we exposed 5-Htt+/+ dams to the same restraint stress paradigm and investigated the effects of PS on depression- and anxiety-like behavior and corticosterone (CORT) secretion at baseline and after acute restraint stress in female 5-Htt+/+ and 5-Htt+/- offspring. We found that PS affected the offspring’s social behavior in a negative manner. When specifically examining those PS animals, we grouped the PS offspring of each genotype into a social, resilient and an unsocial, vulnerable group. While anxiety-like behavior in the EPM was reduced in unsocial, but not social, PS 5-Htt+/+ animals when compared to controls, this pattern could not be found in animals of the other genotype, indicating that social anxiety and state anxiety in the EPM were independent of each other. We then assessed genome-wide hippocampal gene expression profiles using mRNA sequencing in order to identify pathways and gene ontology (GO) terms enriched due to 5-Htt genotype (G), PS exposure (E) and their interaction (GxE) as well as enriched in social, but not unsocial, PS offspring, and vice versa. Numerous genes were affected by 5-Htt genotype, PS and most of all a GxE-interaction. Enrichment analysis using enrichr identified that the genotype affected mitochondrial respiration, while GxE-interaction-affected processes associated primarily with myelination and chromatin remodeling. We furthermore found that 5-Htt+/- mice showed profound expression changes of numerous genes in a genomic region located 10 mio kb upstream of the 5 Htt locus on the same chromosome. When looking at social vs. unsocial mice, we found that a much higher number of genes was regulated in 5 Htt+/- animals than in 5-Htt+/+ animals, reflecting the impact of GxE-interaction. Double the number of genes was regulated in social PS vs. control mice when compared to unsocial PS vs. control in both genotypes, suggesting that the successful adaption to PS might have required more active processes from the social group than the reaction to PS from the unsocial group. This notion is supported by the up-regulation of mitochondrial respiration in social, but not in unsocial, PS 5-Htt+/- mice when compared to controls, as those animals might have been able to raise energy resources the unsocial group was not. Next to this, processes associated with myelination seemed to be down-regulated in social 5-Htt+/- mice, but not in unsocial animals, when compared to controls. Taken together, PS exposure affected sociability and anxiety-like behavior dependent on the 5-Htt genotype in female offspring. Processes associated with myelination and epigenetic mechanisms involved in chromatin remodeling seemed be affected in a GxE-dependent manner in the hippocampus of these offspring. Our transcriptome data furthermore suggest that mitochondrial respiration and, with this, energy metabolism might be altered in 5-Htt+/- offspring when compared to 5-Htt+/+ offspring. Moreover, myelination and mitochondrial respiration might contribute to resilience towards PS exposure in 5-Htt+/- offspring, possibly by affecting brain connectivity and energy capabilities.
Zentrale Befunde:
Erstmals wird in Deutschland eine Studie durchgeführt, die die Stressbelastung von GrundschülerInnen am Übergang von der Primar- in die Sekundarstufe erfasst. Die schriftliche Befragung von 1.620 Eltern aus den Bundesländern Bayern und Hessen zeigt dabei, dass
• die an Schulnoten gekoppelte und bindende Übertrittsregelung in Bayern zu einer höheren Stressbelastung bei Kindern führt als die hessische Form der beratenden Übertrittsempfehlung.
• vor allem Kinder aus bildungsfernen Familien einer hohen Stressbelastung ausgesetzt sind, weil sie weniger über stresshemmende Schutzfaktoren verfügen als Kinder aus bildungsnahen Elternhäusern.
• Eltern durch überzogene und unrealistische Bildungserwartungen die Stressbelastung für ihre Kinder nochmals erhöhen und hierdurch zur Gefährdung ihrer Kinder beitragen.
• die Grundschulkinder in Bayern, die an der Notenschwelle zwischen Mittel- und Realschulempfehlung liegen, eine erhebliche Risikogruppe darstellen. Die SchülerInnen weisen nicht nur die höchsten Stresswerte auf, sie sind auch die einzigen SchülerInnen, bei denen der Stress von der dritten zur vierten Klasse dramatisch ansteigt.
Folgerungen für die Praxis:
Die Ergebnisse der Querschnittstudie müssen noch durch längsschnittliche Verlaufsdaten repliziert werden, deuten aber bereits in der vorliegenden Form an, dass
• der Schulübergang im Alter von zehn Jahren in einer sensiblen Entwicklungsphase der Kinder Stress erzeugt und somit zeitlich zu früh ansetzt,
• bindende Schulübertrittszuweisungen wie im bayerischen Modell die Stressbelastung der Kinder deutlich erhöhen,
• für eine salutogene Entwicklung der Kinder Beratungsmodelle gegenüber Zuweisungsmodellen beim Schulübertritt mit Nachdruck zu bevorzugen sind,
• Eltern frühzeitig und aktiv über den weiteren Bildungsweg ihrer Kinder informiert werden müssen, um zusätzliche Stressbelastungen zu vermeiden,
• vor allem und sehr zeitnah die Stressbelastung der Risikogruppe gemindert werden muss, die zwischen Mittel- und Realschulzuweisungen steht.