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Animals acquire predictive values of sensory stimuli through reinforcement. In the brain of Drosophila melanogaster, activation of two types of dopamine neurons in the PAM and PPL1 clusters has been shown to induce aversive odor memory. Here, we identified the third cell type and characterized aversive memories induced by these dopamine neurons. These three dopamine pathways all project to the mushroom body but terminate in the spatially segregated subdomains. To understand the functional difference of these dopamine pathways in electric shock reinforcement, we blocked each one of them during memory acquisition. We found that all three pathways partially contribute to electric shock memory. Notably, the memories mediated by these neurons differed in temporal stability. Furthermore, combinatorial activation of two of these pathways revealed significant interaction of individual memory components rather than their simple summation. These results cast light on a cellular mechanism by which a noxious event induces different dopamine signals to a single brain structure to synthesize an aversive memory.
Several lines of evidence implicate a dysregulation of tryptophan hydroxylase (TPH)-dependent serotonin (5-HT) synthesis in emotions and stress and point to their potential relevance to the etiology and pathogenesis of various neuropsychiatric disorders. However, the differential expression pattern of the two isoforms TPH1 and TPH2 which encode two forms of the rate-limiting enzyme of 5-HT synthesis is controversial. Here, a comprehensive spatio-temporal analysis clarifies TPH1 and TPH2 expression during pre- and postnatal development of the mouse brain and in adult human brain as well as in peripheral organs including the pineal gland. Four different methods (real time PCR, in situ hybridization, immunohistochemistry and Western blot analysis) were performed to systematically control for tissue-, species- and isoform-specific expression on both the pre- and posttranslational level. TPH2 expression was consistently detected in the raphe nuclei, as well as in fibres in the deep pineal gland and in the gastrointestinal tract. Although TPH1 expression was found in these peripheral tissues, no significant TPH1 expression was detected in the brain, neither during murine development, nor in mouse and human adult brain. Also under conditions like stress and clearing the tissue from blood cells, no changes in expression levels were detectable. Furthermore, the reuptake of 5-HT into the presynaptic neuron by the serotonin transporter (SERT) is the major mechanism terminating the neurotransmitter signal. Thus, mice with a deletion in the Sert gene (Sert KO mice) provide an adequate model for human affective disorders to study lifelong modified 5-HT homeostasis in interaction with stressful life events. To further explore the role of TPH isoforms, Tph1 and Tph2 expression was studied in the raphe nuclei of Sert deficient mice under normal conditions as well as following exposure to acute immobilization stress. Interestingly, no statistically significant changes in expression were detected. Moreover, in comparison to Tph2, no relevant Tph1 expression was detected in the brain independent from genotype, gender and treatment confirming expression in data from native animals. Raphe neurons of a brain-specific Tph2 conditional knockout (cKO) model were completely devoid of Tph2-positive neurons and consequently 5-HT in the brain, with no compensatory activation of Tph1 expression. In addition, a time-specific Tph2 inducible (i) KO mouse provides a brain-specific knockdown model during adult life, resulting in a highly reduced number of Tph2-positive cells and 5-HT in the brain. Intriguingly, expression studies detected no obvious alteration in expression of 5-HT system-associated genes in these brain-specific Tph2 knockout and knockdown models. The findings on the one hand confirm the specificity of Tph2 in brain 5-HT synthesis across the lifespan and on the other hand indicate that neither developmental nor adult Tph2-dependent 5-HT synthesis is required for normal formation of the serotonergic system, although Tph1 does not compensate for the lack of 5-HT in the brain of Tph2 KO models. A further aim of this thesis was to investigate the expression of the neuropeptide oxytocin, which is primarily produced in the hypothalamus and released for instance in response to stimulation of 5-HT and selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs). Oxytocin acts as a neuromodulator within the central nervous system (CNS) and is critically involved in mediating pain modulation, anxiolytic-like effects and decrease of stress response, thereby reducing the risk for emotional disorders. In this study, the expression levels of oxytocin in different brain regions of interest (cortex, hippocampus, amygdala, hypothalamus and raphe nuclei) from female and male wildtype (WT) and Sert KO mice with or without exposure to acute immobilization stress were investigated. Results showed significantly higher expression levels of oxytocin in brain regions which are involved in the regulation of emotional stimuli (amygdala and hippocampus) of stressed male WT mice, whereas male Sert KO as well as female WT and Sert KO mice lack these stress-induced changes. These findings are in accordance with the hypothesis of oxytocin being necessary for protection against stress, depressive mood and anxiety but suggest gender-dependent differences. The lack of altered oxytocin expression in Sert KO mice also indicates a modulation of the oxytocin response by the serotonergic system and provides novel research perspectives with respect to altered response of Sert KO mice to stress and anxiety inducing stimuli.
Persönlichkeit im Allgemeinen wird, neben Umwelteinflüssen, durch genetische Komponenten beeinflusst. Bisher konnten jedoch nur wenige funktionelle Genvarianten mit Verhaltenszügen assoziiert werden. Aggressives Verhalten als spezifisches Verhaltensmuster wird durch eine Reihe von Genvariationen beeinflusst, die in serotonerge, dopaminerge und nitrinerge Regelkreise eingreifen. Neben der genetischen Komponente prädisponieren aber hier ganz erheblich auch äußere Faktoren in der Umwelt, wie z.B. das soziale Umfeld, in dem Kinder und Jugendliche aufwachsen, für die Entwicklung von gewalttätigem Verhalten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen möglichen Einfluss von vier verschiedenen funktionellen Gen-Polymorphismen (MAOA-uVNTR, DAT-uVNTR, NOS1 Ex1f-uVNTR und NOS1 Ex1c-SNP) auf Gewalttätigkeit bzw. Aggressivität zu untersuchen. Außerdem wurden Gen x Umweltinteraktionen im Bezug auf ungünstige soziale Bedingungen in der Kindheit untersucht. Eine aus 184 Männern bestehende Stichprobe von Straffälligen wurde in eine Gruppe von gewalttätigen und eine Gruppe von nicht-gewalttätigen Straftätern unterteilt. Durch die logistische Regressionsanalyse konnte ermittelt werden, dass der MAO-A Genotyp, wie auch ungünstige soziale Bedingungen in der Kindheit, unabhängig voneinander für gewalttätiges Verhalten prädispositionieren. 45% der Gewalttätigen, aber nur 30% der nicht-gewalttätigen Studienteilnehmer sind Träger des niedrig-aktiven kurzen MAO-A Allels. Die neuronale Isoform der Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS-I) wurde, ebenso wie MAO-A, in Tierversuchen mit aggressiven Verhaltensweisen assoziiert. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass es auch einen Zusammenhang zwischen einem funktionellen Promotorpolymorphismus von NOS1 und menschlicher Aggressivität gibt. Im Gegensatz zu MAOA und NOS1 beeinflusst ein funktioneller Polymorphismus im DAT1-Gen Gewalttätigkeit nicht. Diese Ergebnisse legen komplexe Interaktionen zwischen genetischer Variation und Umweltfaktoren nahe und zeigen gleichzeitig, dass aggressives Verhalten nicht durch einfache Vererbungsmodi zu erklären ist.
Wir untersuchten die Konzentrationen an Adenosinrezeptoren und Glutamatrezeptoren bei Mäusen mit molekularen Defekten des Serotoninsystems. Dies betraf einerseits den Mangel an Serotonintransportern und andererseits den Mangel an Monoaminoxidase A (MAOA). Dabei verglichen wir Mäuse mit einem einzelnen Knockout des entsprechenden Gens mit Doppelknockout-Tieren, denen beide Gene fehlten. Desweiteren untersuchten wir die Veränderung der Konzentration an Glutamatrezeptoren bei alten Tieren mit einem Knockout des Serotonintransporters.
Chronic administration of selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), which up-regulates central serotonin (5-HT) system function, enhances adult hippocampal neurogenesis. However, the relationship between central 5-HT system and adult neurogenesis has not fully been understood. Here, we report that lowering 5-HT level in adulthood is also able to enhance adult hippocampal neurogenesis. We used tamoxifen (TM)-induced Cre in Pet1-CreER\(^{T2}\) mice to either deplete central serotonergic (5-HTergic) neurons or inactivate 5-HT synthesis in adulthood and explore the role of central 5-HT in adult hippocampal neurogenesis. A dramatic increase in hippocampal neurogenesis is present in these two central 5-HT-deficient mice and it is largely prevented by administration of agonist for 5-HTR2c receptor. In addition, the survival of new-born neurons in the hippocampus is enhanced. Furthermore, the adult 5-HT-deficient mice showed reduced depression-like behaviors but enhanced contextual fear memory. These findings demonstrate that lowering central 5-HT function in adulthood can also enhance adult hippocampal neurogenesis, thus revealing a new aspect of central 5-HT in regulating adult neurogenesis.
Background
Serotonin (5-hydroxytryptamin, 5-HT) is an indolamine platelet agonist, biochemically derived from tryptophan. 5-HT is secreted from the enterochromaffin cells into the gastrointestinal tract and blood. Blood 5-HT has been proposed to regulate hemostasis by acting as a vasoconstrictor and by triggering platelet signaling through 5-HT receptor 2A (5HTR2A). Although platelets do not synthetize 5-HT, they take 5-HT up from the blood and store it in their dense granules which are secreted upon platelet activation.
Objective
To identify the molecular composite of the 5-HT uptake system in platelets and elucidate the role of platelet released 5-HT in thrombosis and ischemic stroke. Methods: 5-HT transporter knockout mice (5Htt\(^{-/-}\)) were analyzed in different in vitro and in vivo assays and in a model of ischemic stroke.
Results
In 5Htt\(^{-/-}\) platelets, 5-HT uptake from the blood was completely abolished and agonist-induced Ca2+ influx through store operated Ca\(^{2+}\) entry (SOCE), integrin activation, degranulation and aggregation responses to glycoprotein VI (GPVI) and C-type lectin-like receptor 2 (CLEC-2) were reduced. These observed in vitro defects in 5Htt\(^{-/-}\) platelets could be normalized by the addition of exogenous 5-HT. Moreover, reduced 5-HT levels in the plasma, an increased bleeding time and the formation of unstable thrombi were observed ex vivo under flow and in vivo in the abdominal aorta and carotid artery of 5Htt\(^{-/-}\) mice. Surprisingly, in the transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) model of ischemic stroke 5Htt\(^{-/-}\) mice showed nearly normal infarct volume and the neurological outcome was comparable to control mice.
Conclusion
Although secreted platelet 5-HT does not appear to play a crucial role in the development of reperfusion injury after stroke, it is essential to amplify the second phase of platelet activation through SOCE and plays an important role in thrombus stabilization.
Zwangsstörungen, im englischen als Obsessive Compulsive Disorder (OCD) bezeichnet, sind sowohl in der Erwachsenen- als auch in der Kinder- und Jugendpsychiatrie bekannte Krankheitsbilder, die mit einer Lebenszeitprävalenz von 2,5 – 3% zu den häufigsten psychiatrischen Erkrankungen im Kindes- und Jugendalter gehören. Sie stellen in der Regel eine erhebliche Belastung sowohl für die betroffenen Kinder als auch für deren Familie dar und schränken den alltäglichen Lebensablauf je nach Ausprägung erheblich ein. Familien- und Zwillingsuntersuchungen zeigen, dass bei Zwangsstörungen eine deutliche familiäre Belastung vorliegt. Gerade bei einer frühen Manifestation im Kindesalter (auf englisch als early onset bezeichnet) konnten Familienstudien zeigen, dass genetische Faktoren eine besonders ausgeprägte Rolle spielen. Diese formalgenetischen Studien legen weitere Untersuchungen auf molekulargenetischer Ebene für Zwangsstörungen im Kindes- und Jugendalter nahe. Pharmakologische Studien und erste molekulargenetische Studien verweisen zudem auf einen Zusammenhang zwischen Zwangs- und Angstsymptomen und dem Serotoninstoffwechsel. Selektive Serotonin Wiederaufnahme-Hemmer (Selective Serotonine Reuptake Inhibitors, SSRI) und tricyclische Antidepressiva sind bei der Behandlung von Zwangsstörungen besonders wirksam. Auch im Kindes- und Jugendalter sind diese Medikamente aufgrund ihrer positiven Wirkung bei Zwangsstörungen Mittel der ersten Wahl. Insgesamt wird die Pathogenese der Zwangsstörungen nach aktuellem Forschungsstand als multifaktoriell angenommen. Dabei bezieht sich bisher die überwiegende Zahl der Untersuchungen auf Zwangsstörungen erwachsener Patienten. Nach aktuellem Kenntnisstand handelt es sich bei der vorliegenden Arbeit um die ersten familienbasierten Assoziationsstudien bei Kindern und Jugendlichen mit Zwangsstörungen. Zielsetzung dieser Arbeit war die Untersuchung einer Assoziation von Varianten in ausgewählten Genen des serotonergen Systems und juvenilen Zwangsstörungen. Die Auswahl der Kandidatengene für Zwangsstörungen erfolgte auf patho-physiologischen Überlegungen: Die Tryptophanhydroxylase als geschwindigkeits-bestimmendes Enzym in der Synthese von Serotonin, der Serotonin-1B-Rezeptor als Zielorgan mit autoregulierender Funktion auf das serotonerge System, sowie der Serotonintransporter, der, therapeutisch genutzt, von SSRIs blockiert wird. Untersuchungen zu den genannten Kandidatengenen liegen bei erwachsenen Patienten mit Zwangsstörungen vor, die Ergebnisse sollten in unserer Studie repliziert werden. 64 Kinder und Jugendliche, sowie deren leibliche Eltern wurden in die Untersuchung eingeschlossen. In den vorliegenden molekulargenetischen Untersuchungen konnten für Varianten im Tryptophanhydroxylase-1-Gen und dem Serotonin-1B-Rezeptor-Gen kein Zusammenhang mit Zwangsstörungen bei Kindern und Jugendlichen gesehen werden. Die funktionelle Variante des Serotonintransporter-Gens, die zu einer höheren Aktivität des Transporters führt, wurde tendenziell häufiger bei den Patienten mit Zwangsstörungen beobachtet. Der Befund entspricht damit in der Richtung den früheren Befunden von erwachsenen Patienten.
Dysfunktionen des serotonergen Neurotransmittersystems, innerhalb dessen die allelischen Variationen des 5-HTTLPR-Polymorphismus wiederum einen zentrale Rolle einnehmen, werden für die Genese verschiedener psychischer Erkrankungen diskutiert. Untersucht wurde die Interaktion zwischen der allelischen Variationen des 5-HTTLPR-Polymorphismus und Lebensereignissen, die mit Hilfe des Life History Calendar von Caspi bei 123 aADHS-Patienten erfasst wurden. Die Teilnehmer wurden über Lebenserfahrungen bis zu ihrem 21. Lebensjahr genau befragt, die so in additiver Wertung in den Life-Event-Effekt einflossen. Zudem wurden mit Hilfe der Persönlichkeitstests TPQ und NEO-PI-R Punktescores erhoben. Eine Marker*Life Event-Interaktion wurde nachgewiesen. Bei aAHDS-Patienten, die die homozygot lange Variante des 5-HTTLPR-Polymorphismus tragen, ist eine höhere Zahl an erlebten Life Events mit einem größerem Risiko assoziiert, eine Cluster-B-Persönlichkeitsstörung zu entwickeln. Eine geringere Anzahl an Life Events ist assoziiert mit einem geringerem Risiko für Persönlichkeitsstörungen.
Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) is a neurotransmitter involved in early
developmental processes such as cell proliferation, migration, and differentiation.
Recent research in humans showed that the brain 5-HT system and CDH13 are
interlinked in the genetics of neurodevelopmental disorders including attention-
deficit/hyperactivity disorder and autism spectrum disorder (Lesch et al., 2008;
Neale et al., 2008; Neale, Medland, Ripke, Anney, et al., 2010; Neale, Medland,
Ripke, Asherson, et al., 2010; Sanders et al., 2011; Sanders et al., 2015; Zhou et
al., 2008). This study introduces Cadherin-13 (CDH13), a cell adhesion protein, as
a contributor to the development and function of the 5-HT system. Our
experiments show that the absence of CDH13 increases the density of 5-HT
neurons in the developing dorsal raphe (DR) and increases the 5-HT innervation
of the prefrontal cortex in mouse embryonic stages. CDH13 is also observed in
radial glial cells, an important progenitor cell type linked to neuronal migration.
A three-dimensional reconstruction carried out with super-resolution microscopy,
identifies 5-HT neurons intertwined with radial glial cells, and CDH13 clusters at
contact points between these cells. This indicates a potential contribution of
CDH13 to the migration of DR 5-HT neurons. As CDH13 is strongly expressed in
5-HT neurons, we asked whether the selective deletion of CDH13 from these cells
is sufficient to generate the alterations observed in the Cdh13 constitutive
knockout mouse line.
In 5-HT conditional Cdh13 knockout mice (Cdh13 cKO) an increase in DR 5-HT
neurons in the embryonic and adult brains is observed, as well as 5-HT
hyperinnervation of cortical regions. Therefore, illustrating that the lack of CDH13
from 5-HT neurons alone impacts DR formation and serotonergic innervation.
Behavioral testing conducted on Cdh13 cKO mice showed delayed learning in
visuospatial learning and memory processing, as well as, changes in sociability
parameters. To find out how CDH13 localizes in human 5-HT neurons, CDH13 was
visualized in neurons that derived from human induced pluripotent stem cells
(iPSC). Super-resolution microscopy confirmed CDH13 expression in a subgroup
of induced human neurons positive for typical hallmarks of 5-HT neurons, such as
expression of Tph2, the neuron-specific tryptophan hydroxylase, and synaptic
structures. In summary, the work included in this thesis presents a detailed
analysis of CDH13 expression and localization in the 5-HT system and shows that
deletion of CDH13 from 5-HT neurons affects specific higher-order functions of the
brain.