In den ersten Versuchsreihen der hier vorliegenden Arbeit bestätigte sich, dass im in vitro Modell die klassische ischämische Präkonditionierung kardioprotektiv wirkt. Die Präkonditionierung bewirkte eine Infarktgrößenreduktion um 54 %; dies wird durch Literaturangaben bestätigt. Die Postkonditionierung dagegen, trotz drei verschiedener Postkonditionierungsprotokolle, ist am isoliert perfundierten Rattenherzen nicht protektiv. Im in vivo Rattenherz-Modell wurden die Präkonditionierung und die klinisch relevantere Postkonditionierung gegenüberstellend untersucht. Hier zeigte sich, dass die 3 Reperfusions-/Ischämiezyklen für jeweils 30 Sekunden der Postkonditionierung genauso protektiv wie die Präkonditionierung wirken. Infarktgrößen- und biochemische Untersuchungen belegen, dass hierbei die PI3-Kinase ein wichtiges Signaltransduktionselement ist, da einerseits durch die Inhibition der PI3-Kinase mittels Wortmannin die Infarktgrößenreduktion vollständig aufgehoben war und andererseits nach einer 1,5-minütigen Reperfusion eine vermehrte Phosphorylierung der Akt im Western-Blot auftrat. Des Weiteren konnte erstmals die Inaktivierung der GSK-3ß durch eine verstärkte Phosphorylierung über einen PI3-Kinase-vermittelten Signaltransduktionsweg nachgewiesen werden. Die Zugabe des spezifischen Inhibitors TDZD-8 der GSK-3ß verringert ebenfalls die Infarktgröße signifikant. Auch konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass das mammalian target of Rapamycin in der Postkonditionierung des in vivo Rattenherzens eine wichtige Rolle zu spielen scheint. Außerdem konnte neben dem PI3-Kinase/Akt-Signaltransduktionsweg auch die Beteiligung des MEK1/2-ERK1/2–Wegs als Signaltransduktionsweg der Postkonditionierung im in vivo Rattenherzen nachgewiesen werden. Erstmals wurde die Apoptose in einem in vivo Herzen nach regionaler Ischämie untersucht. Die Ergebnisse des TUNEL-Tests und der Western-Blot-Analysen zeigen eine unterdrückte Apoptose durch die Postkonditionierung. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit widmete sich der Untersuchung der Postkonditionierung in pathologischen Rattenherzen. Im Gegensatz zu gesunden Herzen schlug die Postkonditionierung in hypertrophiertem Myokardium von spontan-hypertensiven Ratten mit einer signifikant arteriellen Hypertension fehl. Diese Blockierung der Kardioprotektion zeigte sich durch die fehlende Reduzierung der Infarktgröße trotz unterschiedlicher Postkonditionierungsprotokolle (3x30’’ und 6x10’’ R/I) und unterschiedlich langer Ischämiedauern (20 und 30 Minuten). Gleichfalls war auch die Phosphorylierung der GSK-3ß aufgehoben. Als Modell des metabolischen Syndroms wurde die WOKW-Ratte untersucht. Diese Ratten entwickeln in sehr jungem Alter klassische Symptome wie Dyslipidämie, Hyperinsulinämie und Fettsucht. Wie bei der Herzhypertrophie war auch beim Modell des metabolischen Syndroms die Postkonditionierung - mit 3 Reperfusions-/ Ischämiezyklen für jeweils 30 Sekunden - blockiert. Dabei konnte weder eine Infarktgrößenreduktion noch eine vermehrte Phosphorylierung der GSK-3ß nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erlauben die Schlußfolgerung, dass das Substrat der GSK-3ß, die mPTP des Mitochondriums, eine „Schlüsselrolle“ in der Apoptose innehat - die Postkonditionierung vermindert nicht nur die Nekrose, sondern reduziert auch die Apoptose. Bemerkenswert und potentiell von klinischer Bedeutung ist die Beobachtung, dass bei Vorliegen von Risikofaktoren, wie arterielle Hypertonie und metabolischem Syndrom, solche Schutzmechanismen des Herzens aufgehoben sind. Diese Erkenntnisse sind im Hinblick auf die Therapie am Menschen von großer Bedeutung. Ob langfristig einzelne Komponenten der Signaltransduktionswege, wie PI3-Kinase, Akt, mTOR, ERK1/2 oder GSK-3ß, Angriffspunkte einer pharmakologischen Therapie sein könnten, muß in weiteren Untersuchungen geklärt werden.

Background: Sex and stress steroids are metabolized to 3a-hydroxy-pregnane-steroid metabolites such as allopregnanolone (Allo) and tetrahydrodeoxycorticosterone (THDOC). Allo and THDOC are neuroactive steroids that are metabolized in the brain and act in brain as potent positive GABAA receptor function modulators. Allo as well as THDOC levels increase during stress. Allo has been associated with a number of symptoms and malfunctions such as impaired memory function and negative mood symptoms in a subgroup of individuals both for animals and humans. Pregnane steroids with 3b-hydroxy-configuration (3b-steroids) have been shown to reduce the Allo enhanced GABA effect. Aims: The aims for the present thesis were to investigate the effect of 3b-steroids on the GABA mediated GABAA receptor function in presence of positive GABAA receptor modulators. Further, the regional variances between the 3b-steroids as well as the mechanism of the effect were studied. Finally, the effect of stress steroid metabolites on the GABAA receptor function was investigated. Results: 3b-OH-5a-pregnane-20-one reduced the Allo enhanced GABA mediated chloride ion uptake into cortical microsacs. The 3b-isomer reduced the efficacy of Allo without shift the concentration response curve. It is therefore suggested that the 3b-isomer has a non-competitive effect. Further, it was shown that the 3b-isomer reduced the Allo effect in a selective way since the 3b-isomer did not interact with other positive modulators or with GABA itself. Five tested 3b-steroids reduced the Allo enhanced GABA mediated chloride ion uptake in cerebral cortex and hippocampus as well as the Allo prolongation on spontaneous inhibitory postsynaptic currents (sIPSCs) in preoptic nucleus. In cerebellum on the other hand the 3b-steroids showed to have weaker or no effect compared to the other tested regions. Interestingly, in absence of Allo, two of the 3b-steroids positively modulated the GABA stimulated GABAA receptor function. In absence of Allo, 5b-pregnane-3b,20(R)-diol increased the desensitization rate of current response. In contrast to the reducing effect on the Allo induced prolongation on sIPSCs, the effect of the 3b-steroid on GABA application, was not altered in presence of Allo. The mechanism of the 3b-steroid is therefore suggested being desensitization dependent in contrast to Allo, which has been suggested to decrease the GABA unbinding rate. In contrast to the enhanced effect of Allo, glucocorticoid metabolites reduced the GABA mediated chloride ion uptake in a concentration dependent way. The results in present thesis indicate that both sex and stress steroid metabolites interact with the GABAA receptor function. The knowledge that diversity of endogenous steroids interact with the GABAA receptor function is of importance for further understanding of different sex and stress steroid related symptoms and syndromes.

Rapid increases in plasma androgens are generally associated with short-term aggressive challenges in many breeding vertebrates. However, some animals such as song sparrows (Melospiza melodia) are aggressive year-round, even during the non-breeding season, when gonads are regressed and systemic testosterone (T) levels are non-detectable. In contrast, levels of the prohormone dehydroepiandrosterone (DHEA) are elevated year-round in the plasma and brain. The local conversion of brain DHEA to potent androgens may be critical in regulating non-breeding aggression. 3β-hydroxysteroid dehydrogenase/Δ4-Δ5 isomerase (3β-HSD) catalyzes DHEA conversion to androstenedione (AE) and the cofactor NAD⁺ assists in this transformation. In this thesis, I asked whether brain 3β-HSD activity is regulated by social encounters in seasonally breeding male songbirds. In Experiment 1, I looked at the long-term seasonal regulation of brain 3β-HSD activity. 3β-HSD activity was highest in the non-breeding season compared to the breeding season and molt. In Experiment 2, I hypothesized that brain 3β-HSD activity is rapidly regulated by short-term social encounters during the non-breeding season. A 30 min social challenge increased aggressive behavior. Without exogenous NAD⁺, there was ~355% increase in 3β-HSD activity in the caudal telencephalon and ~615% increase in the medial central telencephalon compared to controls (p<0.05). With exogenous NAD⁺, there was no effect of social challenge on 3β-HSD activity. These data suggest that endogenous cofactors play a critical role in the neuroendocrine response to social challenges. The increase in brain DHEA conversion to AE during social challenges may be a mechanism to rapidly increase local androgens in the non-breeding season, when there are many costs of systemic T.

Rapid increases in plasma androgens are generally associated with short-term aggressive challenges in many breeding vertebrates. However, some animals such as song sparrows (Melospiza melodia) are aggressive year-round, even during the non-breeding season, when gonads are regressed and systemic testosterone (T) levels are non-detectable. In contrast, levels of the prohormone dehydroepiandrosterone (DHEA) are elevated year-round in the plasma and brain. The local conversion of brain DHEA to potent androgens may be critical in regulating non-breeding aggression. 3β-hydroxysteroid dehydrogenase/Δ4-Δ5 isomerase (3β-HSD) catalyzes DHEA conversion to androstenedione (AE) and the cofactor NAD⁺ assists in this transformation. In this thesis, I asked whether brain 3β-HSD activity is regulated by social encounters in seasonally breeding male songbirds. In Experiment 1, I looked at the long-term seasonal regulation of brain 3β-HSD activity. 3β-HSD activity was highest in the non-breeding season compared to the breeding season and molt. In Experiment 2, I hypothesized that brain 3β-HSD activity is rapidly regulated by short-term social encounters during the non-breeding season. A 30 min social challenge increased aggressive behavior. Without exogenous NAD⁺, there was ~355% increase in 3β-HSD activity in the caudal telencephalon and ~615% increase in the medial central telencephalon compared to controls (p<0.05). With exogenous NAD⁺, there was no effect of social challenge on 3β-HSD activity. These data suggest that endogenous cofactors play a critical role in the neuroendocrine response to social challenges. The increase in brain DHEA conversion to AE during social challenges may be a mechanism to rapidly increase local androgens in the non-breeding season, when there are many costs of systemic T.

Rapid increases in plasma androgens are generally associated with short-term aggressive challenges in many breeding vertebrates. However, some animals such as song sparrows (Melospiza melodia) are aggressive year-round, even during the non-breeding season, when gonads are regressed and systemic testosterone (T) levels are non-detectable. In contrast, levels of the prohormone dehydroepiandrosterone (DHEA) are elevated year-round in the plasma and brain. The local conversion of brain DHEA to potent androgens may be critical in regulating non-breeding aggression. 3β-hydroxysteroid dehydrogenase/Δ4-Δ5 isomerase (3β-HSD) catalyzes DHEA conversion to androstenedione (AE) and the cofactor NAD⁺ assists in this transformation. In this thesis, I asked whether brain 3β-HSD activity is regulated by social encounters in seasonally breeding male songbirds. In Experiment 1, I looked at the long-term seasonal regulation of brain 3β-HSD activity. 3β-HSD activity was highest in the non-breeding season compared to the breeding season and molt. In Experiment 2, I hypothesized that brain 3β-HSD activity is rapidly regulated by short-term social encounters during the non-breeding season. A 30 min social challenge increased aggressive behavior. Without exogenous NAD⁺, there was ~355% increase in 3β-HSD activity in the caudal telencephalon and ~615% increase in the medial central telencephalon compared to controls (p<0.05). With exogenous NAD⁺, there was no effect of social challenge on 3β-HSD activity. These data suggest that endogenous cofactors play a critical role in the neuroendocrine response to social challenges. The increase in brain DHEA conversion to AE during social challenges may be a mechanism to rapidly increase local androgens in the non-breeding season, when there are many costs of systemic T. / Science, Faculty of / Zoology, Department of / Graduate

In den ersten Versuchsreihen der hier vorliegenden Arbeit bestätigte sich, dass im in vitro Modell die klassische ischämische Präkonditionierung kardioprotektiv wirkt. Die Präkonditionierung bewirkte eine Infarktgrößenreduktion um 54 %; dies wird durch Literaturangaben bestätigt. Die Postkonditionierung dagegen, trotz drei verschiedener Postkonditionierungsprotokolle, ist am isoliert perfundierten Rattenherzen nicht protektiv. Im in vivo Rattenherz-Modell wurden die Präkonditionierung und die klinisch relevantere Postkonditionierung gegenüberstellend untersucht. Hier zeigte sich, dass die 3 Reperfusions-/Ischämiezyklen für jeweils 30 Sekunden der Postkonditionierung genauso protektiv wie die Präkonditionierung wirken. Infarktgrößen- und biochemische Untersuchungen belegen, dass hierbei die PI3-Kinase ein wichtiges Signaltransduktionselement ist, da einerseits durch die Inhibition der PI3-Kinase mittels Wortmannin die Infarktgrößenreduktion vollständig aufgehoben war und andererseits nach einer 1,5-minütigen Reperfusion eine vermehrte Phosphorylierung der Akt im Western-Blot auftrat. Des Weiteren konnte erstmals die Inaktivierung der GSK-3ß durch eine verstärkte Phosphorylierung über einen PI3-Kinase-vermittelten Signaltransduktionsweg nachgewiesen werden. Die Zugabe des spezifischen Inhibitors TDZD-8 der GSK-3ß verringert ebenfalls die Infarktgröße signifikant. Auch konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass das mammalian target of Rapamycin in der Postkonditionierung des in vivo Rattenherzens eine wichtige Rolle zu spielen scheint. Außerdem konnte neben dem PI3-Kinase/Akt-Signaltransduktionsweg auch die Beteiligung des MEK1/2-ERK1/2–Wegs als Signaltransduktionsweg der Postkonditionierung im in vivo Rattenherzen nachgewiesen werden. Erstmals wurde die Apoptose in einem in vivo Herzen nach regionaler Ischämie untersucht. Die Ergebnisse des TUNEL-Tests und der Western-Blot-Analysen zeigen eine unterdrückte Apoptose durch die Postkonditionierung. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit widmete sich der Untersuchung der Postkonditionierung in pathologischen Rattenherzen. Im Gegensatz zu gesunden Herzen schlug die Postkonditionierung in hypertrophiertem Myokardium von spontan-hypertensiven Ratten mit einer signifikant arteriellen Hypertension fehl. Diese Blockierung der Kardioprotektion zeigte sich durch die fehlende Reduzierung der Infarktgröße trotz unterschiedlicher Postkonditionierungsprotokolle (3x30’’ und 6x10’’ R/I) und unterschiedlich langer Ischämiedauern (20 und 30 Minuten). Gleichfalls war auch die Phosphorylierung der GSK-3ß aufgehoben. Als Modell des metabolischen Syndroms wurde die WOKW-Ratte untersucht. Diese Ratten entwickeln in sehr jungem Alter klassische Symptome wie Dyslipidämie, Hyperinsulinämie und Fettsucht. Wie bei der Herzhypertrophie war auch beim Modell des metabolischen Syndroms die Postkonditionierung - mit 3 Reperfusions-/ Ischämiezyklen für jeweils 30 Sekunden - blockiert. Dabei konnte weder eine Infarktgrößenreduktion noch eine vermehrte Phosphorylierung der GSK-3ß nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erlauben die Schlußfolgerung, dass das Substrat der GSK-3ß, die mPTP des Mitochondriums, eine „Schlüsselrolle“ in der Apoptose innehat - die Postkonditionierung vermindert nicht nur die Nekrose, sondern reduziert auch die Apoptose. Bemerkenswert und potentiell von klinischer Bedeutung ist die Beobachtung, dass bei Vorliegen von Risikofaktoren, wie arterielle Hypertonie und metabolischem Syndrom, solche Schutzmechanismen des Herzens aufgehoben sind. Diese Erkenntnisse sind im Hinblick auf die Therapie am Menschen von großer Bedeutung. Ob langfristig einzelne Komponenten der Signaltransduktionswege, wie PI3-Kinase, Akt, mTOR, ERK1/2 oder GSK-3ß, Angriffspunkte einer pharmakologischen Therapie sein könnten, muß in weiteren Untersuchungen geklärt werden.

Alzheimer s disease is characterized by synaptic alterations and neurodegeneration. Histopathological hallmarks represent amyloidplaques composed of amyloid-beta (Abeta) and neurofibrillary tangles containing hyperphosphorylated tau. To determine whether synaptic changes and neurodegeneration share common pathways we established an ex vivo model using organotypic hippocampal slicecultures from amyloid precursor protein transgenic mice combined with virus-mediated expression of EGFP-tagged tau constructs. Confocal high-resolution imaging, algorithm-based evaluation of spines and live imaging was employed to determine spine changes and neurodegeneration. We report that Abeta but not tau induces spine loss and shifts spine shape from mushroom to stubby through a mechanism involving NMDA receptor (NMDAR), calcineurin and GSK-3beta activation. In contrast, Abeta alone does not cause neurodegeneration but induces toxicity by phosphorylation of wt tau in a NMDAR-dependent pathway. We show thatGSK-3beta levels are elevated in APP transgenic cultures and that inhibiting GSK-3beta activity or use of phosphorylation-blocking tau mutations prevent Abeta-induced toxicity of tau. FTDP-17 tau mutants are differentially affected by Abeta. While R406W tau shows increased toxicity in the presence of Abeta, no change is observed with P301L tau. While blocking NMDAR activity abolishes toxicity of both wt and R406W tau, the inhibition of GSK-3beta only protects against toxicity of wt tau but not of R406W tau induced by Abeta. Tau aggregation does not correlate with toxicity. We propose that Abeta-induced spine pathology and tau-dependent neurodegeneration are mediated by divergent pathways downstream of NMDA receptor activation and suggest that Abeta affects wt and R406W tau toxicity by different pathways downstream of NMDAR activity.

Obesity has been related to a greater incidence of more aggressive, advanced stage prostate cancer. It is expected that serum adipokines related to obesity will promote a more aggressive phenotype in PC cells in vitro. Patient serum (n = 80) was obtained for analysis and divided into four patient groups based on obesity and prostate cancer status. Characteristics of serum-treated PC cells in vitro were measured. In a separate set of analyses, LNCaP and PC3 cells were treated with adiponectin and resistin in vitro, and cell characteristics were analyzed. Serum from obese PC patients induces greater amounts of cell migration and lower amounts of cell proliferation and invasion in vitro. Exogenous treatment of adiponectin on PC cells in vitro does not affect cell migration or invasion. However, adiponectin modulates cytosolic protein levels of soluble β-catenin and GSK-3β, indicating that its mechanism of action may be through the Wnt signalling pathway.