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Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is one of the most prevalent developmental disorders, affecting 5.9% children and adolescents and 2.5% adults worldwide. The core characteristics are age-inappropriate levels of hyperactivity, impulsivity and inattention, often accompanied by co-morbidities such as mood and conduct disorders as wells as learning deficits. In the majority of cases, ADHD is caused by an interplay of accumulated genetic and environmental risk factors. Twin studies report a very high heritability of 70–80%, however, common genetic variants in the population only explain a third of the heritability. The rest of the genetic predisposition is composed of rare copy number variations (CNVs) and gene x environment interactions including epigenetic alterations. Through genome wide association (GWAS) and linkage studies a number of likely candidate genes were identified. A handful of them play a role in dopamine or noradrenaline neurotransmitter systems, simultaneously those systems are the main targets of common drug treatment approaches. However, for the majority of candidates the biological function in relation to ADHD is unknown. It is crucial to identify those functions in order to gain a deeper understanding of the pathomechanism and genetic networks potentially responsible for the disorder. This work focuses on the three candidate genes GFOD1, SLC2A3 and LBX1 and their role in the healthy organism as well as in case of ADHD. The neuroanatomy was regarded through expression analysis and various behavioural assays of activity were performed to link alterations on the transcript level to phenotypes associated with the neurodevelopmental disorder. Zebrafish orthologues of the human risk genes were identified and extensive temporal and spacial expression characterisation performed via RNA in situ hybridisation. Through morpholino derived knock-down and mRNA overexpression zebrafish models with subsequent behavioural analysis, both hyper- and hypoactive phenotypes were discovered. Additional expression analysis through double in situ hybridisation revealed a co-localisation during zebrafish neurodevelopment of each gfod1 and slc2a3a together with gad1b, a marker for GABAergic neurons. Interestingly, both risk genes have previously been associated with glucose homeostasis and energy metabolism, which when disrupted could lead to alterations in signal transduction and neuron survival. Likewise, Lbx1 plays a pivotal role in GABAergic versus glutamatergic neuron specification during spinal cord and hindbrain development in mice and chicken. Preliminary results of this work suggest a similar role in zebrafish. Taken together, those findings on the one hand represent a sturdy basis to con- tinue studies of the function of the genes and on the other hand open up the opportunity to investigate novel aspects of ADHD research by exploring the role of the GABAergic neurotransmitter system or the connection between energy metabolism and psychiatric disorders.
Biological Substrates of Waiting Impulsivity in Children and Adolescents with and without ADHD
(2023)
Focus of the present work were the questions whether and how the concept of waiting impulsivity (WI), defined as the ability to regulate a response in anticipation of reward and measured by the 4-choice serial reaction time task (4-CSRTT), may contribute to our understanding of Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) and its neurobiological underpinnings.
To address this topic, two studies were conducted: in a first study, the relationship be-tween 4-CSRTT behavioral measures, neural correlates and ADHD symptom domains, i.e. inattention (IA) and hyperactivity/impulsivity (H/I) was explored in a pooled sample of 90 children and adolescents with (n=44) and without (n=46) ADHD diagnosis. As ex-pected, IA was associated with dorsolateral prefrontal brain regions linked with executive functions and attentional control, which was evident on the structural and the functional level. Higher levels of both IA and H/I covaried with decreased activity in the right ven-trolateral prefrontal cortex (PFC), a central structure for response inhibition. Moderation analyses revealed that H/I-related decreased activation in this region did not map linearly on difficulties on the behavioral level: brain activation was a significant predictor of task accuracy only, when H/I symptoms were low/absent but not for clinically relevant ADHD symptoms. Further, H/I was implicated in dysfunctional top-down control of reward eval-uation. Both symptom domains correlated positively with hippocampus (HC) activity in anticipation of reward. In addition, for high H/I symptoms, greater activation in the HC was found to correlate with higher motivation on the behavioral level, indicating that rein-forcement-learning and/or contingency awareness may contribute to altered reward pro-cessing in ADHD patients.
In a second study, the possible serotonergic modulation of WI and the ADHD-WI relation-ship was addressed in a sub-sample comprising 86 children and adolescents of study I. The effects of a functional variant in the gene coding for the rate-limiting enzyme in the synthesis of brain serotonin on behavior and structure or function of the WI-network was investigated. Moderation analyses revealed that on the behavioral level, a negative corre-lation between accuracy and IA was found only in GG-homozygotes, whereas no signifi-cant relationship emerged for carriers of the T-allele. This is in line with previous reports of differential effects of serotonergic modulation on attentional performance depending on the presence of ADHD symptoms. A trend-wise interaction effect of genotype and IA for regional volume of the right middle frontal gyrus was interpreted as a hint towards an involvement of the PFC in this relationship, although a more complex mechanism includ-ing developmental effects can be assumed. In addition, interaction effects of genotype and IA were found for brain activation in the amygdala (AMY) und HC during perfor-mance of the 4-CSRTT, while another interaction was found for H/I symptoms and geno-type for right AMY volume. These findings indicate a serotonergic modulation of coding of the emotional value of reward during performance of the 4-CSRTT that varies de-pending on the extent of psychopathology-associated traits.
Taken together, it was shown that the 4-CSRTT taps distinct domains of impulsivity with relevance to ADHD symptomatology: (proactive) response inhibition difficulties in relation with anticipation of reward. Furthermore, the two symptom domains, IA and H/I, contrib-ute differently to WI, which emphasizes the need to distinguish both in the research of ADHD. The results of study II emphasized the relevance of serotonergic transmission especially for attentional control and emotional processing. Although the present findings need replication and further refinement in more homogenous age groups, the use of the 4-CSRTT with a dimensional approach is a very promising strategy, which will hopefully extend our understanding of impulsivity-related mental disorders in the future.
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.
Zusammenfassung
1) Fragestellung und zentrale Untersuchung
Unter der Hypothese, dass die Transportrate des Glukosetransporters Typ 3 (GLUT3)
abhängig von der Kopienanzahl (CNV) des für ihn kodierenden Gens SLC2A3 ist,
wurden Zelllinien mit drei Kopien (Duplikation) mit Kontroll-Zelllinien mit nur zwei Kopien
bezüglich ihrer Glukoseaufnahme miteinander verglichen (n=2; N=9). Hierzu wurde die
zelluläre Glukoseaufnahme mittels radioaktiv markierter 2-Desoxyglukose in via
Eppstein-Barr-Virus immortalisierten lymphoblastoiden Zelllinien (EBV-LCLs)
gemessen. In den initialen Untersuchungen zeigt sich, dass das Protokoll an manchen
Stellen zu viel Spielraum lässt. Die Methode wird daraufhin standardisiert und bezüglich
einiger Parameter angepasst: g-Zentrifugeneinstellung, Mischen/Aliquotieren,
Zellanzahl, Replikatanzahl, Inkubationszeit/-intervalle und Durchführungsdauer.
2) Wichtigste Ergebnisse
Die funktionelle Untersuchung zur Duplikation des SLC2A3-Gens in Patienten mit
Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) zeigt schließlich im
dynamischen Aushungerungsversuch der EBV-LCLs über vier Tage (Vergleich t2 zu t1)
statistisch für die Gruppen eine deutliche Differenz mit mittlerer Effektstärke (Lineares
Gemischtes Modell; p = 0,06; Cohens d = 0,37).
Zum zweiten Messzeitpunkt (t2) zeigt sich statistisch zwischen den Gruppen eine sehr
signifikante Differenz mit hoher Effektstärke (Lineares Gemischtes Modell; p < 0,006;
Cohens d = 0,55).
Damit konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass die SLC2A3-Duplikation
neben dem Gendosiseffekt auf mRNA-Ebene auch hypermorph funktionelle
Veränderungen auf zellulärer Ebene nach sich zieht. Nachfolgende Untersuchungen
sollten vor diesem Hintergrund mögliche Kofaktoren investigieren und auf Alterationen
in nachgeschalteten Signalwegen abzielen.
In der dargestellten Arbeit wurden verschiedene Hypothesen im Hinblick auf die berufliche und gesundheitliche Belastung von Eltern mit Kindern, die an ADHS leiden, untersucht. So wurde zunächst der Fragestellung nachgegangen, in wieweit das von ADHS betroffene Kind in der Familie selbst zu einer erhöhten Belastung der Eltern am Arbeitsplatz und somit zu einer gesteigerten gesundheitlichen Einschränkung führt. Zudem untersuchten wir die Auswirkungen einer möglichen eigenen ADHS-Symptomatik in der Kindheit laut WURS auf die gesundheitliche Verfassung und die Leistungsfähigkeit am Arbeitsplatz. Schließlich wurde in der dritten Hypothese die Frage untersucht, in wieweit ein Effekt der Anzahl betroffener Kinder mit ADHS innerhalb einer Familie feststellbar ist.
Entsprechend wurde eine vergleichende Untersuchung mit einer klinischen Stichprobe (n=91) und einer gesunden Vergleichsstichprobe (n=198) durchgeführt. Um die verschiedenen Einflussfaktoren verifizierbar zu machen, wurden verschiedene Untersuchungsinstrumente in Form von Fragebögen sowohl an die klinische Stichprobe als auch an die Vergleichsstichprobe (Familien, deren Kinder als gesund beschrieben wurden) verteilt. Zur allgemeinen Einschätzung von Verhaltensauffälligkeiten der Kinder in den jeweiligen Familien wurde die Child-Behavior-Checklist von den Eltern ausgefüllt. Zudem schätzten die Eltern über den Fremdbeurteilungsbogen für hyperkinetische Störungen die ADHS-Symptomatik ihrer Kinder ein. Darüber hinaus beurteilten die Eltern eine mögliche eigene ADHS-Symptomatik in der Kindheit über die retrospektiv ausgelegte Wender Utah Rating Scale. Der individuelle Gesundheitszustand der Väter und Mütter wurde über den „EQ-5D“ erfragt, während die Belastung am Arbeitsplatz mittels der Work Limitation Questionnaire ermittelt wurde. Schließlich füllten alle teilnehmenden Eltern einen sozioökonomischen Fragebogen aus, in dem Alter, Geschlecht, Familienstand, Schulabschluss und das Haushaltsnettoeinkommen berücksichtigt wurden.
In zahlreichen, im Diskussionsteil bereits erwähnten Studien wurde eine Mehrbelastung der Eltern festgestellt. In der vorliegenden Arbeit wurden darüber hinaus die konkreten Auswirkungen dieser bereits festgestellten Mehrbelastung auf den Gesundheitszustand und das berufliche Umfeld untersucht. Die Untersuchung dieser Auswirkungen auf das alltägliche Leben der betroffenen Eltern geriet bislang kaum in den Fokus wissenschaftlicher Arbeiten. Um zukünftig betroffene Familien gezielter in unterschiedlichen Lebensbereichen unterstützen zu können ist es jedoch von eminenter Bedeutung, diese Auswirkungen zu kennen und besser zu verstehen.
In den Ergebnissen konnte konkret gezeigt werden, dass bezüglich der Hypothese 1 die Anwesenheit eines ADHS-Kindes innerhalb einer Familie den Gesundheitszustand der Eltern laut Selbsturteil im EQ-5D signifikant beeinflusst. Im Rahmen der beruflichen Belastung war feststellbar, dass ein ADHS-Kind sich signifikant auf die physische Konstitution laut WLQ der Eltern auswirkt. Die Untersuchung der Hypothese II ergab, dass eine mögliche eigene ADHS-Symptomatik in der Kindheit sich auf unterschiedliche Dimensionen im beruflichen Umfeld auswirkt, jedoch nicht signifikant auf den individuellen Gesundheitszustand. Väter und Mütter, die selbst in ihrer Kindheit ADHS-Symptome angaben, geben eine signifikante Beeinträchtigung bezüglich der mentalen Fähigkeiten, des Zeitmanagements und der allgemeinen Arbeitsproduktivität laut Selbsteinschätzung im WLQ an. Eine physische Einschränkung am Arbeitsplatz laut WLQ war bei den Vätern signifikant feststellbar, nicht jedoch bei den Müttern. Die Ergebnisse der Hypothese III ergaben, dass bezüglich der Arbeitsfähigkeit bereits bei einem oder mehr Kindern mit ADHS die kognitiven Fähigkeiten der Eltern am Arbeitsplatz laut WLQ beeinträchtigt sind. Gleichermaßen wird die Arbeitsproduktivität bereits bei einem oder mehr von ADHS betroffenen Kindern signifikant beeinflusst. Auf die physische Konstitution der Eltern laut Selbsteinschätzung im WLQ haben ein oder auch mehrere von ADHS betroffene Kinder jedoch keinen signifikanten Einfluss. Die zeitliche Organisation der Eltern am Arbeitsplatz laut WLQ ist folglich bei einem Kind mit ADHS noch nicht signifikant beeinträchtigt, wohl aber, wenn mehr als ein Kind betroffen ist. Ebenso ist der Gesundheitszustand der Eltern laut EQ-5D erst ab zwei betroffenen Kindern in einer Familie durch diesen Umstand beeinflusst.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass durch die Anwesenheit eines Kindes mit ADHS in einer Familie eher der Gesundheitszustand der Eltern signifikant beeinflusst wird, wohingegen die eigene ADHS-Symptomatik der Eltern in der Kindheit viel mehr zu einer signifikanten und mehrdimensionalen Beeinträchtigung am Arbeitsplatz führt. Diese Erkenntnis zeigt, dass die eigene ADHS-Symptomatik der Eltern in der Kindheit neben der Anwesenheit eines ADHS - Kindes nicht unerhebliche Auswirkungen auf die alltäglichen Aufgaben der Betroffenen hat. Die Erkenntnis dieser neuen Zusammenhänge sollte in zukünftigen Forschungsvorhaben berücksichtigt werden.
Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is a neurodevelopmental disorder with an estimated heritability of around 70%. In order to fully understand ADHD biology it is necessary to incorporate multiple different types of research. In this thesis, both human and animal model research is described as both lines of research are required to elucidate the aetiology of ADHD and development new treatments. The role of a single gene, Adhesion G protein-coupled receptor L3 (ADGRL3) was investigated using a knockout mouse model. ADGRL3 has putative roles in neuronal migration and synapse function. Various polymorphisms in ADGRL3 have been linked with an increased risk of attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD) in human studies. Adgrl3-deficient mice were examined across multiple behavioural domains related to ADHD: locomotive activity, visuospatial and recognition memory, gait impulsivity, aggression, sociability and anxiety-like behaviour. The transcriptomic alterations caused by Adgrl3-depletion were analysed by RNA-sequencing of three ADHD-relevant brain regions: prefrontal cortex (PFC), hippocampus and striatum. Increased locomotive activity in Adgrl3-/- mice was observed across all tests with the specific gait analysis revealing subtle gait abnormalities. Spatial memory and learning domains were also impaired in these mice. Increased levels of impulsivity and sociability accompanying decreased aggression were also detected. None of these alterations were observed in Adgrl3+/- mice. The numbers of genes found to exhibit differential expression was relatively small in all brain regions sequenced. The absence of large scale gene expression dysregulation indicates a specific pathway of action, rather than a broad neurobiological perturbation. The PFC had the greatest number of differentially expressed genes and gene-set analysis of differential expression in this brain region detected a number of ADHD-relevant pathways including dopaminergic synapses as well as cocaine and amphetamine addiction. The most dysregulated gene in the PFC was Slc6a3 which codes for the dopamine transporter, a molecule vital to current pharmacological treatment of ADHD. The behavioural and transcriptomic results described in this thesis further validate Adgrl3 constitutive knockout mice as an experimental model of ADHD and provide neuroanatomical targets for future studies involving ADGRL3 modified animal models.
The study of ADHD risk genes such as ADGRL3 requires the gene to be first identified using human studies. These studies may be genome based such as genome wide association studies (GWAS) or transcriptome based using microarray or RNA sequencing technology. To explore ADHD biology in humans the research described in this thesis includes both GWAS and trancriptomic data. A two-step transcriptome profiling was performed in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of 143 ADHD subjects and 169 healthy controls. We combined GWAS and expression data in an expression-based Polygenic Risk Score (PRS) analysis in a total sample of 879 ADHD cases and 1919 controls from three different datasets. Through this exploratory study we found eight differentially expressed genes in ADHD and no support for the genetic background of the disorder playing a role in the aberrant expression levels identified. These results highlight promising candidate genes and gene pathways for ADHD and support the use of peripheral tissues to assess gene expression signatures for ADHD.
This thesis illustrates how both human and animal model research is required to increase our understanding of ADHD. The animal models provide biological insight into the targets identified in human studies and may themselves provide further relevant gene targets. Only by combining research from disparate sources can we develop the thorough understanding on ADHD biology required for treatment development, which is the ultimate goal of translational science research.
Natrium-Glukose Transporter (SGLT) gehören zur „solute carrier 5“ (SLC5) Familie, die sich durch einen sekundär aktiven, natriumabhängigen Transport von Zuckern und an-deren Molekülen nach intrazellulär auszeichnen. Die durch das Gen SLC5A4 kodierte Isoform SGLT3 transportiert dagegen keinen Zucker, sondern verhält sich als Glukosesensor, der nach Bindung seiner Liganden eine Membrandepolarisation induziert. In genomweiten Exomsequenzierungsstudien (whole exome sequencing, WES) mehrerer erweiterter Stammbäume mit hoher Prävalenz des Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätssyndroms (ADHS) wurde im Vorfeld eine ATG-Tripletdeletion in SLC5A4 identifiziert, die zum Verlust einer Aminosäure (ΔM500) in SGLT3 führt und zumindest partiell mit dem klinischen Phänotyp kosegregiert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die zentralnervöse Expression von SGLT3 auf RNA- Ebene mittels Reverse-Transkriptase PCR sowie real-time PCR aus humanen Gesamt-RNAs nachgewiesen. Dabei konnte eine ubiquitäre Expression im Gehirn mit relativ erhöhter Expression unter anderem in Striatum und Hypothalamus, deren Dysfunktion in der Pathogenese des ADHS impliziert wurde, gezeigt werden. Da Mutationen in homologen Domänen der eng strukturverwandten Isoformen SGLT1 und SGLT2 sowohl intestinale als auch renale Funktionen schwer beeinträchtigen, wurden in dieser Arbeit funktionelle Charakteristika sowohl des wildtypischen als auch der ΔM500 und der benachbarten ΔI501 Deletionsvariante von SGLT3 mittels Zwei-Elektroden Spannungs- und Stromklemme in entsprechend cRNA-injizierten Xenopus laevis Oozyten untersucht. Der hochpotente SGLT3-spezifische Iminozuckeragonist 1-Desoxynojirimycin (DNJ) induzierte an SGLT3-exprimierenden Oozyten in sauren Bedingungen etwa dreifach größere Kationeneinströme als D-Glukose, was sowohl im Spannungsklemmen-, und anhand einer entsprechenden Membrandepolarisation im Stromklemmenmodus gezeigt wurde. Die mit der ΔM500 bzw. ΔI501 Variante injizierten Oozyten dagegen zeigten in den maximalen Aktivierungsbedingungen um 92% bzw. 96% (p<0,01) reduzierte Kationeneinströme, sodass diese als hochgradig schädliche „Loss of Function“ Mutationen in SGLT3 charakterisiert wurden. Dieser Befund wurde mittels bioinformatischer in-silico Effektvorhersage validiert.
Um Konsequenzen der Sequenzalteration auf den Membraneinbau der Transporter zu untersuchen, wurden die mit einem gelb fluoreszierenden Farbstoff (YFP) markierten Transporter in Oozytenmembranen mittels Laser-Scanning Mikroskop nachgewiesen und die jeweiligen Mengen der Konstrukte anhand der Fluoreszenzintensitäten quantifiziert. Dabei zeigte sich eine um 53% bzw. 42% (p<0,01) reduzierte Menge der mutierten Konstrukte ΔM500 bzw. ΔI501 in der Membran, was zusätzliche schädliche Effekte der Mutationen auf das sogenannte Membrantargeting der Transporter belegt.
Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die ΔM500 Variante von SGLT3, welcher in ADHS-relevanten Hirnarealen exprimiert wird, dessen sub-stratinduzierte Natriumleitfähigkeit aufhebt und den Membraneinbau beeinträchtigen könnte, was in Wechselwirkung mit anderen genetischen ADHS Risikovarianten das Risiko für ADHS in Mutationsträgern beeinflussen kann.
Neurodevelopmental disorders, including attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) and autism spectrum disorder (ASD) are disorders of mostly unknown etiopathogenesis, for which both genetic and environmental influences are expected to contribute to the phenotype observed in patients. Changes at all levels of brain function, from network connectivity between brain areas, over neuronal survival, synaptic connectivity and axonal growth, down to molecular changes and epigenetic modifications are suspected to play a key roles in these diseases, resulting in life-long behavioural changes.
Genome-wide association as well as copy-number variation studies have linked cadherin-13 (CDH13) as a novel genetic risk factor to neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders. CDH13 is highly expressed during embryonic brain development, as well as in the adult brain, where it is present in regions including the hippocampus, striatum and thalamus (among others) and is upregulated in response to chronic stress exposure. It is however unclear how CDH13 interacts with environmentally relevant cues, including stressful triggers, in the formation of long-lasting behavioural and molecular changes. It is currently unknown how the environment influences CDH13 and which long term changes in behaviour and gene expression are caused by their interaction. This work therefore investigates the interaction between CDH13 deficiency and neonatal maternal separation (MS) in mice with the aim to elucidate the function of CDH13 and its role in the response to early-life stress (ELS).
For this purpose, mixed litters of wild-type (Cdh13+/+), heterozygous (Cdh13+/-) and homozygous knockout (Cdh13-/-) mice were maternally separated from postnatal day 1 (PN1) to postnatal day 14 (PN14) for 3 hours each day (180MS; PN1-PN14). In a first series of experiments, these mice were subjected to a battery of behavioural tests starting at 8 weeks of age in order to assess motor activity, memory functions as well as measures of anxiety. Subsequently, expression of RNA in various brain regions was measured using quantitativ real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR). A second cohort of mice was exposed to the same MS procedure, but was not behaviourally tested, to assess molecular changes in hippocampus using RNA sequencing.
Behavioural analysis revealed that MS had an overall anxiolytic-like effect, with mice after MS spending more time in the open arms of the elevated-plus-maze (EPM) and the light compartment in the light-dark box (LDB). As a notable exception, Cdh13-/- mice did not show an increase of time spent in the light compartment after MS compared to Cdh13+/+ and Cdh13+/- MS mice. During the Barnes-maze learning task, mice of most groups showed a similar ability in learning the location of the escape hole, both in terms of primary latency and primary errors. Cdh13-/- control (CTRL) mice however committed more primary errors than Cdh13-/- MS mice. In the contextual fear conditioning (cFC) test, Cdh13-/- mice showed more freezing responses during the extinction recall, indicating a reduced extinction of fear memory. In the step-down test, an impulsivity task, Cdh13-/- mice had a tendency to wait longer before stepping down from the platform, indicative of more hesitant behaviour. In the same animals, qRT-PCR of several brain areas revealed changes in the GABAergic and glutamatergic systems, while also highlighting changes in the gatekeeper enzyme Glykogensynthase-Kinase 3 (Gsk3a), both in relation to Cdh13 deficiency and MS. Results from the RNA sequencing study and subsequent gene-set enrichment analysis revealed changes in adhesion and developmental genes due to Cdh13 deficiency, while also highlighting a strong link between CDH13 and endoplasmatic reticulum function. In addition, some results suggest that MS increased pro-survival pathways, while a gene x environment analysis showed alterations in apoptotic pathways and migration, as well as immune factors and membrane metabolism. An analysis of the overlap between gene and environment, as well as their interaction, highlighted an effect on cell adhesion factors, underscoring their importance for adaptation to the environment.
Overall, the stress model resulted in increased stress resilience in Cdh13+/+ and Cdh13+/- mice, a change absent in Cdh13-/- mice, suggesting a role of CDH13 during programming and adaptation to early-life experiences, that can results in long-lasting consequences on brain functions and associated behaviours. These changes were also visible in the RNA sequencing, where key pathways for cell-cell adhesion, neuronal survival and cell-stress adaptation were altered. In conclusion, these findings further highlight the role of CDH13 during brain development, while also shedding light on its function in the adaptation and response during (early life) environmental challenges.
Das serotonerge System bildet schon seit Jahrzehnten einen Schwerpunkt in der psychiatrischen Grundlagenforschung. Seinen weit verzweigten Leitungsbahnen wird eine global-modulatorische Eigenschaft für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen unterschiedlichen Hirnregionen und unterschiedlichen Neurotransmitter-systemen zugeschrieben (Hüther und Rüther, 2000). Darüber hinaus ist die serotonerge Neurotransmission ein Hauptmodulator emotionalen Verhaltens, das Angst und Ängstlichkeit ebenso umfasst wie Aggression und Impulsivität (Lesch et al., 2003). In der vorliegenden Arbeit wurden im Sinne eines Kandidatengenansatzes zwei Assoziationsstudien durchgeführt. Im ersten Teil wurde versucht, eine mögliche Assoziation zwischen der Erkrankung an affektiven Störungen und drei vorbeschriebenen SNPs des FEV-Gens aufzudecken. FEV ist das humane Homolog des in mehreren Tierversuchen untersuchten Pet-1-Gens, dem vor allem eine zentrale Bedeutung in der embryonalen Entwicklung des serotonergen Systems zugeschrieben wird. Zusätzlich wurde ein 286 bp langer Abschnitt des Exon 3 sequenziert, um die Häufigkeit der sieben in diesem Abschnitt beschriebenen SNPs bei unipolar depressiven Patienten abzuschätzen und ggf. neue Varianten zu detektieren. Der zweite Teil untersuchte das Auftreten zweier bereits von anderen Autoren beschriebener SNPs des TPH2-Gen bei an der adulten Form des ADHS leidenden Patienten im Vergleich zu einer Kontrollgruppe. Die im zentralen serotonergen System dominierende Tryptophanhydroxylase 2 (TPH2) ist das erste, geschwindigkeitsbegrenzende Enzym der Serotonin-Biosynthese. Die Genotypisierung der einzelnen SNPs erfolgte mit unterschiedlichen Methoden. So kam sowohl die PCR, der Restriktionsenzymverdau, die Minisequenzierung (SNaPshot®) als auch die MALDI-ToF Massenspektrometrie und die Sequenzierung zum Einsatz, die Auftrennung einzelner Schnittprodukte erfolgte durch die Gelelektrophorese.
Die erste Stichprobe umfasste 270 Patienten (davon 179 weiblich) mittleren Alters mit einer Diagnose aus dem affektiven Formenkreis (180 mit bipolar-affektiver Störung gemäß den DSM-IV Kriterien, weitere 90 Patienten mit einer rezidivierenden unipolaren depressiven Störung) sowie 362 (davon 174 weibliche) Kontrollpersonen. Die Stichproben der zweiten Studie umfassten 284 am adulten ADHS (Diagnose nach DSM IV) leidende Patienten (140 davon weiblich) und 120 Kontrollpersonen (61 davon weiblich).
Statistisch wurden die Daten sowohl auf Einzelmarker- als auch auf Haplotypniveau ausgewertet. In beiden Studien konnte keine Assoziation der untersuchten Polymorphismen des FEV- bzw. TPH2-Gens mit der jeweiligen Erkrankung (affektive Störung / adultes ADHS), weder auf Einzelmarker- noch auf Haplotypniveau, nachgewiesen werden. Die Sequenzierung des 286 bp langen Abschnitts von Exon 3 des FEV-Gens zeigt eine ausgeprägte Konservierung der Sequenz dieses Gens, wie sie auch von anderen Autoren beschrieben wurde.
Die hier untersuchten Kandidatengene FEV und TPH2 sind auch weiterhin interessante Ansatzpunkte für die psychiatrische Grundlagenforschung. Die Aufklärung der genauen Wirkungsweise von FEV und seine Rolle in der Entwicklung des menschlichen serotonergen Systems erscheint jedoch vordergründig, um zunächst Funktion, Interaktionen und mögliche pathogenetische Mechanismen aufzudecken und dann gezielter die Einflüsse bestimmter Polymorphismen zu untersuchen.
Die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) ist eine häufige Erkran-kung bei Kindern und Jugendlichen. Vor allem bei Ausbleiben einer suffizienten Be-handlung verursacht die ADHS sehr oft vielfältige Probleme, die das Leben der Be-troffenen in Familie, Schule und Freizeit gravierend beeinträchtigen. Zahlreiche Studien beschreiben eine Dysfunktion des dopaminergen Systems als Hauptursache für das Auf-treten der Kardinalsymptome Hyperaktivität, Konzentrationsmangel und Impulsivität. Die Hauptsäule der medikamentösen Behandlung ist das zwingend per Betäubungsmit-telrezept zu verordnende Stimulanz METHYLPHENIDAT mit eigenem Nebenwir-kungsprofil und einer nicht geringen Rate an Nonrespondern.
Einzelne Literaturstellen und theoretische Vorüberlegungen lassen eine Korrektur dys-funktionaler dopaminerger Transmitterprozesse bei ADHS nicht allein durch Stimulanzi-en, sondern auch durch die Klasse der Dopamin-Agonisten denkbar erscheinen. Diese Vorüberlegungen basieren u. a. auf den Kenntnissen der Eigenschaften und des Wirkmechanismus des Dopamin-Agonisten ROPINIROL, der vielfach in der Behandlung der Parkinson-Krankheit eingesetzt wird.
Dieser Heilversuch ist die erste prospektive Untersuchung zur Sicherheit und Wirksam-keit des Dopamin-Agonisten ROPINIROL in der Behandlung von jungen männlichen ADHS-Patienten. Gleichzeitig liegt damit auch der erste Wirksamkeitsvergleich des erstmals gezielt zur ADHS-Behandlung eingesetzten Wirkstoffes ROPINIROL mit der Goldstandard-Substanz der ADHS-Medikation, nämlich METHYLPHENIDAT vor.
Insgesamt nahmen 9 Jungen mit ADHS im Alter zwischen 8 und 13 Jahren an dem Heilversuch teil, 3 dieser 9 Probanden im Rahmen eines Vortests, die übrigen 6 unter den Bedingungen des endgültigen Heilversuchs. Die Effekte der jeweils eingesetzten Substanz auf die Symptomausprägung der ADHS wurden mit Hilfe der Kurzform des Eltern-Lehrer-Fragebogens nach Conners und speziell hinsichtlich der ADHS-relevanten Verhaltensparameter Konzentrationsfähigkeit und Impulskontrolle durch den computer-gestützten Continuous Performance Test, CPT, erhoben.
Im Bild der angewandten computergestützten Konzentrations- und Impulskontroll-belastungstests (CPT) ergab sich bei 2 der 6 Probanden des Hauptheilversuches unter ROPINIROL eine sehr deutliche Verbesserung der Konzentration (Steigerung der rich-tigen Tastendrücke um 30% bzw. 70%). In der Betrachtung der gesamten Probanden-gruppe war der die Konzentration fördernde Effekt von ROPINIROL aber unspezifisch (p=0,463) und blieb weit hinter dem statistisch signifikanten konzentrationsfördernden Effekt von METHYLPHENIDAT auf die Probandengruppe (p=0,021) zurück.
5 von 6 Probanden handelten unter ROPINIROL weniger impulsiv und reduzierten die Anzahl falscher Tastendrücke im CPT gering bis deutlich. 3 dieser 5 Probanden verrin-gerten diese Fehlerzahl unter ROPINIROL um mindestens 40% der Ausgangsfehlerzahl ohne Medikation.
Anders als beim Verhaltensparameter Konzentration ließ sich hinsichtlich der Impuls-kontrolle kein Nachteil der Medikation mit ROPINIROL gegenüber METHYLPHENI-DAT errechnen.
Auch in der Auswertung der Kurzform des Eltern-Lehrer-Fragebogens nach Conners war ROPINIROL METHYLPHENIDAT rechnerisch nicht signifikant unterlegen. We-gen der kleinen Probandengruppe in Verbindung mit der deutlichen Streubreite der Er-gebnisse zur Impulsivität und innerhalb der Conners-Skalen kann dies aber bestenfalls als Hinweis, nicht aber als rechnerisch bewiesene Ähnlichkeit der Wirkstärke beider Substanzen in der Verbesserung vor allem der Impulskontrolle interpretiert werden.
6 von 9 Probanden beschrieben unter Ropinirol spürbare Tagesmüdigkeit. Diese war unter den höheren Dosen Ropinirol des Vortestes (max. 2mg ROP/die) besonders häufig und stark (3 von 3 Probanden). Unter der reduzierten Enddosis von maximal 1mg ROP/die im Haupttest lag die Häufigkeit der Tagesmüdigkeit bei 4 von 6 Probanden und wurde weniger stark erlebt. Dies weist auf eine Dosisabhängigkeit dieser im Heil-versuch am häufigsten registrierten unerwünschten Wirkung von Ropinirol hin. Impera-tive Schlafattacken blieben vollständig aus.
Der Beweis für das Potential des Dopamin-Agonisten ROPINIROL, die Symptome einer ADHS in ähnlichem Ausmaß wie das Stimulanz METHYLPHENIDAT zu verrin-gern oder zumindest statistisch fassbar zu reduzieren, konnte in der Gesamtwürdigung der Ergebnisse dieses Heilversuchs nicht erbracht werden. Es ergaben sich aber einzelne Hinweise auf eine Teilwirksamkeit von ROPINIROL gegen ADHS-Symptome bei einzelnen Probanden, vor allem für den Symptombereich der Impulsivi-tät. Hinweise auf ein Nebenwirkungsprofil, das jede zukünftige Anwendung von ROPINIROL bei ADHS-Erkrankten ausschließt, wurden nicht festgestellt.
Die mit Hilfe dieses pilotstudienartigen Heilversuchs gewonnenen Erkenntnisse könnten durch breiter angelegte Studien z. B. im Design einer randomisierten doppelblinden Wirksamkeitsvergleichsstudie überprüft und weiterentwickelt werden, um die mögliche Eignung von Dopamin-Agonisten wie Ropinirol als medikamentöse Alternative für be-stimmte Subpopulationen von ADHS-Betroffenen besser beurteilen zu können.