In der vorliegenden Dissertation wurden die Folgen einer SPRED2-Defizienz in einem Knockout Mausmodell untersucht. Dabei wurde insbesondere die mögliche Verbindung zur Zwangsstörung, einer psychiatrischen Erkrankung beleuchtet. Das SPRED2-Protein kommt im menschlichen Körper in zahlreichen Geweben vor, besonders im Hirn wurde eine ubiquitäre Expression nachgewiesen und ein Zusammenhang mit der Neurogenese und neuronaler Differenzierung vermutet. Seine regulatorische Funktion besteht in einer inhibitorischen Wirkung auf den BDNF/TrkB-ERK-Signalweg, welcher u.a. für die Transkription neuronaler Gene verantwortlich ist. Die verwendeten SPRED2-defizienten Mäuse wurden durch Insertion eines Gene-Trap Vektors in das Spred2-Gen generiert. Die Insertion verhindert letztendlich die korrekte Translation des Proteins. Von der durch weitere Verpaarung entstehenden SPRED2-Knockout Mauslinie wurden ausschließlich männliche Tiere verwendet. Im Rahmen einer SPRED2-KO-Studie von der AG Schuh des Physiologischen Instituts der Universität Würzburg, die u.a. die Entgleisung der HHNA mit resultierendem erhöhten Stresshormonspiegel und eine Dysregulation des Mineralhaushaltshormons Aldosteron zeigte, wurden bei den Versuchstieren zwanghafte Verhaltensmuster beobachtet. Daraufhin wurden elektrophysiologische Messungen durchgeführt, die auf eine Anomalie in der synaptischen Übertragung zwischen Thalamus und Amygdala hindeuteten. Erhöhte Effizienz und Erregbarkeit der amygdaloiden Neuronen führten zu der morphologischen Untersuchung, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Da die Afferenzen des Thalamus vorwiegend in den lateralen Kern der Amygdala projizieren, wurde zunächst dieser betrachtet. Ziel der Untersuchung war es, Erkenntnisse darüber zu erlangen, ob der Knockout des SPRED2-Proteins in Mäusen zu einer veränderten Morphologie der Neuronen der lateralen Amygdala führt. Falls dies der Fall sein sollte, könnte damit zumindest ansatzweise das zwanghafte Verhalten der SPRED2-defizienten Mäusen erklärt werden. Die Hirne der Versuchstiere wurden nach der Golgi-Cox-Imprägnierung nach Glaser und Van der Loos und der Einbettung in Celloidin in 150 μm dicke Scheiben geschnitten und anschließend mithilfe eines Hellfeld-Mikroskops und des Neurolucida-Systems analysiert. Quantitativ erfasst und analysiert wurden pyramidale Klasse 1-Neuronen der lateralen Amygdala inklusive absoluter Anzahl und Dichte der Spines an ihren Dendriten. Die Untersuchung zeigte bei SPRED2-KO-Mäusen eine signifikante Erhöhung der mittleren Länge des apikalen Dendriten in Branch order 3 und eine tendenzielle Erhöhung der Gesamtzahl der Spines an den Dendriten in Branch order 1-3 gegenüber den Wildtyp-Mäusen. Daraus lässt sich folgern, dass ein Knockout des SPRED2-Proteins sich auf die Morphologie der Neuronen der lateralen Amygdala auswirkt. Die erhöhte mittlere Länge des apikalen Dendriten in Branch order 3 und die tendenziell erhöhte Spine-Anzahl korrelieren mit der gesteigerten synaptischen Übertragung und Erregbarkeit an amygdaloiden pyramidalen Neuronen. Auf molekularer Ebene kann die Hyperaktivität der lateralen Amygdala als Folge der fehlenden Inhibition des BDNF/TrkB-ERK-Signalwegs und der dadurch veränderten Expression zahlreicher synaptischer Proteine diskutiert werden. Die veränderte Morphologie der Neuronen in der lateralen Amygdala kann eine Ursache für das zwanghafte Verhalten der Mäuse sein, jedoch ist anzunehmen, dass Zwangsstörungen nicht bloß eine monokausale Ursache haben. Diese Arbeit identifiziert SPRED2 als neuen Regulator der Morphologie und Aktivität von Synapsen und die Amygdala als wichtige Hirnregion bei der Entstehung von Zwangsstörungen. SPRED2 ist somit ein vielversprechender Angriffspunkt für andere und spezifischere Untersuchungen der Hirnfunktion und eine potenzielle genetische Ursache für weitere neurologische Erkrankungen.

In the face of threat, animals react with a defensive reaction to avoid or reduce harm. This defensive reaction encompasses apart from behavioral changes also physiological, analgetic, and endocrine adaptations. Nonetheless, most animal studies on fear and anxiety are based on behavioral observations only, disregarding other aspects of the defensive reaction, or integrating their inter-related dynamics only insufficiently. The first part of this thesis aimed in characterizing patterned associations of behavioral and physiological responses, termed integrated defensive states. Analyzing cardiac and behavioral responses in mice undergoing multiple fear and anxiety paradigms revealed a complex and dynamic interaction of those readouts on both, short and long timescales. Microstates, stereotypical combinations of i.e. freezing and decelerating heart rates, are short-lasting and were, in turn, shown to be influenced by slow acting macrostate changes. One of those higher order macrostates, called `rigidity`, was defined as a latent process that constrains the range of momentary displayed heart rate values. Furthermore, integrated defensive states were found to be highly dependent on the cue and the context the animals are confronted with. Importantly, same behavioral observations, i.e. freezing, were associated with distinct cardiac responses, highlighting the importance of multivariate analysis of integrated defensive states. Defensive states are orchestrated by the brain, which has evolved evolutionary conserved survival circuits. A central brain area of these circuits is the periaqueductal gray (PAG) in the midbrain. It plays a pivotal role in mediating defensive states, as it receives signals about external and internal information from multiple brain regions and sends information to both, higher order brain areas as well as to the brainstem ultimately causing the execution of threat responses. In the second part of this thesis, different neuronal circuit elements in the PAG were optically manipulated in order to gain mechanistic insight into the defense network in the brain underlying the previously delineated cardio-behavioral defensive states. Optical activation of glutamatergic PAG neurons evoked heterogeneous, light-intensity dependent responses. However, a further molecular restriction of the glutamatergic neuronal population targeting only Chx10+ neurons, led to a cardio-behavioral state that resembled spontaneous freezing-bradycardia bouts. In summary, this thesis presents a multivariate description of defensive states, which includes the complex interaction of cardiac and behavioral responses on different timescales and, furthermore, functionally dissects different excitatory and inhibitory PAG circuit elements mediating these defensive states.

Das Schädel-Hirn-Trauma (SHT) ist ein großes medizinisches Problem. Das Hirnödem mit konsekutiv erhöhten intrakraniellen Drücken ist eine häufige und schwerwiegende Komplikation des schweren SHT. Es ist der signifikanteste Prädiktor für ein schlechtes Outcome. Obwohl Glukokortikoide (GK) die Ausbildung eines Hirnödems bei neuroinflammatorischen Erkrankungen und manchen Hirntumoren reduzieren können, ist diese Substanzklasse im SHT ineffektiv oder sogar schädlich. Nach controlled cortical impact (CCI) in Mäusen, einem etablierten SHT-Modell in-vivo, zeigte sich ein Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Des Weiteren wurde der BHS-stabilisierende Effekt der GK nach CCI durch proteasomalen Abbau des Glukokortikoidrezeptors (GR) behindert. Eine Inhibierung des Proteasoms durch den Proteasomeninhibitor Bortezomib zusammen mit einer GK-Therapie mit Dexamethason reduzierte den Abbau des GR und sorgte für eine Restitution der BHS-Integrität. Unglücklicherweise ließen sich diese Ergebnisse in-vitro nicht auf in Sauerstoff-/Glukosemangel-Modell in der humanen Hirnendothelzelllinie hCMEC/D3 übertragen. Daher konnte für die Kombinationstherapie aus dem Proteasomeninhibitor Bortezomib und Dexamethason kein positiver Effekt gezeigt werden. 

Der Zusammenhang von neuropathischem Schmerz mit einer gestörten Blut-Nerven- Schranke (BNS) ist bekannt. Die BNS wird durch Tight Junction Proteine (TJP) gebildet. Netrin-1 (Ntn1) hat je nach Rezeptorbindung verschiedene Effekte auf TJP und somit auf die Barriereeigenschaften. In dieser Arbeit wurde im Tiermodell (Chronic Constriction Injury-CCI) untersucht, ob Netrin-1 einen Einfluss auf die BNS hat und die Wirkung der Rezeptoren Unc5b und Neogenin-1 beleuchtet. Es wurde untersucht, ob der barrierestabilisierende Netrin-1- Spiegel auch von neuropathischen Schmerzen, im Speziellen durch „Chronic Regional Pain Syndrom“ (CRPS), beeinflusst wird. Männl. Wistar-Ratten wurde lokal Unc5b Antikörper injeziert oder nach Netrin-1 Gabe der Neogeninrezeptor durch lokale Neogenin-1-siRNA Injektion geblockt. Die mRNA Expression von Ntn1, seine Rezeptoren sowie der TJP (Claudine-Cldn) wurde mittels q- PCR untersucht. Netrin-1 wurde im Rattennerven mittels Western Blot bestimmt. Die Netrin-1-Spiegel im Plasma von CRPS Patient*innen und Kontrollen wurde mittels ELISA bestimmt. Im Rattenmodell war die Ntn1 vermehrt exprimiert, die Proteinexpression mittels Western Blot tendenziell vermindert. Die Claudinexpression war nach CCI herabreguliert. Netrin-1-Injektion steigerte die Expression von Cldn5 und 19. Der Netrin-1-Rezeptor UNC5B wird bei Neuropathie verstärkt und Neogenin-1 vermindert exprimiert. Die Expression von Cldn 12 und Cldn19 war bei Blockade des Unc5b Rezeptors gesteigert und bei Blockade des Neogenin-1 Rezeptors tendenziell vermindert. Im Plasma von CRPS Patient*innen zeigte sich ein verminderter Netrin-1- Spiegel. Die Ergebnisse der vorliegenden Experimente legen nahe, dass Netrin-1 über die Stabilisierung der Blut-Nerven-Schranke einen lindernden Effekt auf neuropathische Schmerzen hat und sich auch die Expression dieses Proteins durch CRPS verändert.

Adaptor-protein-4-deficiency (AP-4-deficiency) is an autosomal-recessive childhood- onset form of complicated hereditary spastic paraplegia (HSP) caused by bi-allelic loss- of-function mutations in one of the four subunits of the AP-4-complex. These four conditions are named SPG47 (AP4B1, OMIM #614066), SPG50 (AP4M1, OMIM #612936), SPG51 (AP4E1, OMIM #613744) and SPG52 (AP4S1, OMIM #614067), respectively and all present with global developmental delay, progressive spasticity and seizures. Imaging features include a thinning of the corpus callosum, ventriculomegaly and white matter changes. AP-4 is a highly conserved heterotetrameric complex, which is responsible for polarized sorting of transmembrane cargo including the autophagy- related protein 9 A (ATG9A). Loss of any of the four subunits leads to an instable complex and defective sorting of AP-4-cargo. ATG9A is implicated in autophagosome formation and neurite outgrowth. It is missorted in AP-4-deficient cells and CNS-specific knockout of Atg9a in mice results in a phenotype reminiscent of AP-4-deficiency. However, the AP-4-related cellular phenotypes including ATG9A missorting have not been investigated in human neurons. Thus, the aim of this study is to provide the first human induced pluripotent stem cell- derived (iPSC) cortical neuron model of AP-4-deficiency to explore AP-4-related phenotypes in preparation for a high-content screening. Under the hypothesis that AP-4- deficiency leads to ATG9A missorting, elevated ATG9A levels, impaired autophagy and neurite outgrowth in human iPSC-derived cortical neurons, in vitro biochemical and imaging assays including automated high-content imaging and analysis were applied. First, these phenotypes were investigated in fibroblasts from three patients with compound heterozygous mutations in the AP4B1 gene and their sex-matched parental controls. The same cell lines were used to generate iPSCs and differentiate them into human excitatory cortical neurons. This work shows that ATG9A is accumulating in the trans-Golgi-network in AP-4- deficient human fibroblasts and that ATG9A levels are increased compared to parental controls and wild type cells suggesting a compensatory mechanism. Protein levels of the AP4E1-subunit were used as a surrogate marker for the AP-4-complex and were decreased in AP-4-deficient fibroblasts with co-immunoprecipitation confirming the instability of the complex. Lentiviral re-expression of the AP4B1-subunit rescues this corroborating the fact that a stable AP-4-complex is needed for ATG9A trafficking. Surprisingly, autophagic flux was present in AP-4-deficient fibroblasts under nutrient- rich and starvation conditions. These phenotypic markers were evaluated in iPSC-derived cortical neurons and here, a robust accumulation of ATG9A in the juxtanuclear area was seen together with elevated ATG9A protein levels. Strikingly, assessment of autophagy markers under nutrient-rich conditions showed alterations in AP-4-deficient iPSC- derived cortical neurons indicating dysfunctional autophagosome formation. These findings point towards a neuron-specific impairment of autophagy and need further investigation. Adding to the range of AP-4-related phenotypes, neurite outgrowth and branching are impaired in AP-4-deficient iPSC-derived cortical neurons as early as 24h after plating and together with recent studies point towards a distinct role of ATG9A in neurodevelopment independent of autophagy. Together, this work provides the first patient-derived neuron model of AP-4-deficiency and shows that ATG9A is sorted in an AP-4-dependent manner. It establishes ATG9A- related phenotypes and impaired neurite outgrowth as robust markers for a high-content screening. This disease model holds the promise of providing a platform to further study AP-4-deficiency and to search for novel therapeutic targets.