Der gyrus dentatus im Hippocampus ist die primäre Zielregion kortikaler Afferenzen des Enthorinalen Cortex. Im Laufe seiner Entwicklung erlangt der gyrus dentatus durch die Etablierung einer neurogenen Nische (tertiäre Matrix) die Fähigkeit fortwährender postnataler Neurogenese. Diese wird durch eine Vielzahl von Mediatoren wie Transkriptionsfaktoren gesteuert, die die Proliferation und Zelldifferenzierung, aber auch das Überleben der hippocampalen neuralen Vorläuferzellen (NPCs, neural progenitor cells) kontrollieren. In Säugetieren steuern die homologen RAF Kinasen ARAF, BRAF und CRAF die mitogene Kaskade, die bei der adulten Neurogenese von elementarer Bedeutung ist. In dieser Studie wurde untersucht ob die Nullmutation von CRAF eine Auswirkung auf die postnatale und adulte hippocampale Neurogenese hat. Unsere Analysen von BRAF- und CRAF-defizienten Mäusen zeigen in der frühen Embryonalentwicklung gemeinsame Funktionen beider Kinasen, weshalb das Fehlen einer Kinase bis zu bestimmten embryonalen Entwicklungszeitpunkten durch die jeweils andere Kinase kompensiert werden kann. Letalitätsstudien zeigen jedoch, dass BRAF und CRAF bei späteren Entwicklungsstadien jeweils unabhängig für das Überleben von Tieren relevant sind. CRAF Nullmutanten werden nicht nach der erwarteten Mendelschen Frequenz geboren und nahezu 70% der Tiere sterben bereits kurz nach der Geburt. Die maximale beobachtete Lebenserwartung adulter CRAFko Tiere lag bei postnatal Tag 55. CRAFko Mäuse haben eine reduzierte Körpergröße, veränderte Hautfarbe und einen eye-open-at-birth-Phänotyp. Verhaltensexperimente in unserer Arbeitsgruppe zeigten an heterozygoten CRAF Mäusen einen Einfluss von CRAF auf das Angst - und Lernverhalten, was einen Einfluss von CRAF auf die Neurogenese-vermittelte hippocampale Funktion andeutete. Tatsächlich konnte hier die Expression von CRAF im postnatalen Gehirn von Mäusen immunhistologisch wie auch proteinbiochemisch nachgewiesen werden. Im Hippocampus zeigte sich, dass ein Funktionsverlust von CRAF zu einer erhöhten Anzahl mitotisch aktiver NPCs führt, die massive Zellzyklusveränderungen aufweisen. Zudem wurde eine fehlerhafte Reorganisation der tertiären Matrix beobachtet. NPCs CRAF-defizienter Tiere befinden sich vermehrt im Hilus und bleiben in der Entwicklung zu reifen Körnerzellen im D Zell-Vorläuferstadium stecken. Weitere Analysen zeigen, dass diese fehlplatzierten NPCs teilweise über apoptotische Signalwege eliminiert werden. Als Resultat dieser Entwicklungsstörung ist der gyrus dentatus CRAF-defizienter Tiere verkleinert und es kann eine verlangsamte neuronale Differenzierung NPC-abgeleiteter Neurone beobachtet werden. Diese Befunde zeigen erstmals einen CRAF-spezifischen Einfluss auf die Regulation elementarer, zellulärer Eigenschaften neuronaler Vorläuferzellen des Hippocampus. / The hippocampal dentate gyrus is the primary target region of cortical afferents originating in the entorhinal cortex. During its evolutionary development, the dentate gyrus has achieved the ability of continuous postnatal neurogenesis by establishing a neurogenic niche (tertiary matrix). This process is regulated by multiple mediators such as transcription factors that control proliferation, cell differentiation and survival of hippocampal neural precursor cells (NPCs). Mammals express three homologous RAF kinases ARAF, BRAF and CRAF which regulate the mitogenic cascade, an essential element of adult neurogenesis. In this study we analysed if the nullmutation of CRAF interferes with postnatal and adult hippocampal neurogenesis. Our analysis of BRAF and CRAF-deficient mice reveals common functions of both kinases during early embryogenesis. In this developmental phase, lack of one kinase may be compensated by the other kinase. This phenomenon ends at later embryonic developmental stages. Lethality studies show independent roles of BRAF and CRAF in survival during later developmental stages. CRAF null-mutants are not born in mendelian frequency and almost 70% of all CRAF mutants die within a short time window after birth. The oldest analysed CRAFko mice survived until postnatal day P55. CRAFko mice show a decreased body size, altered skin colour and possess an eye-open-at-birth-phenotype. Previous behavioural experiments by our group revealed the influence of CRAF in anxiety-like behaviour and specific learning paradigms, indicating an effect of CRAF on neurogenesis-dependent hippocampal functions. Indeed, this study confirmed the expression of CRAF with immunohistological and biochemical methods in postnatal mouse brain tissue. In the hippocampus, the loss-of-function mutation of CRAF leads to increased numbers of mitotically activated NPCs which exhibit drastic cell-cycle abnormalities. In addition, CRAF-deficient mice carry malformations in the organisation of their tertiary matrix. NPCs of CRAF-deficient mice are mainly located in the hilus where their maturation towards the neuronal lineage persists in the D-cell stage. A detailed analysis shows that these misplaced NPCs are - at least partially - eliminated by apoptosis. Due to this developmental defect the dentate gyrus of CRAF-deficient mice is smaller and the neuronal differentiation of NPC-derived neurons is delayed. These results show for the first time a CRAF-specific effect on the regulation of basic cellular functions of neuronal precursors in the hippocampus.

Adulte Neurogenese steht im fokus der Neurowissenschaften. Die Neurogenese im Hippokampus spielt eine wichtige Rolle nach verschiedenen pathophysiologischen Ereignissen, z.B. nach epileptischen Anfällen. ATP ist ein wichtiger extrazellulärer Botenstoff, der auch im Gehirn verschiedene Prozesse beinflusst. Es wurden funktionelle P2X7- und P2Y1-Rezeptore an den Vorläuferzellen nachgewiesen. Unsere Hypothese lautet: nach einen epileptischen Anfall kommt es zur massiven Ausströmung von ATP, welches durch P2Y1-Rezeptore die Neurogenese fördert. Dieser Prozess wird durch die Aktivierung der P2X7-Rezeptoren entegegengesteuert, indem der Zelltod der neuen Zellen eingeleitet wird.

Der Hippocampus ist eine von zwei Gehirnregionen, in der zeitlebens kontinuierlich neue Nervenzellen gebildet werden. Er spielt eine wichtige Rolle bei der Gedächtniskonsolidierung und wird mit der funktionellen Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen in Verbindung gebracht. Strukturveränderungen im erwachsenen Gehirn, die mit einer Depression einhergehen, sind laut Literatur auf einen geringen Serotoninspiegel und reduzierte hippocampale Neurogenese zurückzuführen. Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) erhöhen die Serotoninkonzentration im synaptischen Spalt und üben einen positiven Effekt auf die adulte Neurogenese aus. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie Veränderungen in der Serotonin (5-HT)-Neurotransmission durch einmalige oder chronische Gaben von Fluoxetin und speziellen Agonisten und Antagonisten für die Serotoninrezeptoren 5-HT1a und 5-HT2 in der erwachsenen Maus die Proliferation und Differenzierung von neugebildeten Nervenzellen im Gyrus dentatus beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein konträres Agieren beider Rezeptoren zu einem ausgewogenen Serotoninspiegel führt. 5-HT1a- und 5-HT2c-Rezeptoren haben einen Einfluss auf das Überleben neugebildeter Nervenzellen, wobei sie unterschiedliche Entwicklungsstadien innerhalb der adulten Neurogenese kontrollieren. Die vorliegende Arbeit bekräftigt außerdem, dass die chronische Gabe von Fluoxetin die adulte Neurogenese steigert. / The hippocampus as one region with ongoing neurogenesis throughout life contributes to the formation of long-term memory and has also been implicated in the pathology of major depression. Studies suggest that depression might be due to decreased levels of serotonin and reduced neurogenesis in the adult brain and that the beneficial effects of selective serotonin reuptake inhibitors would require adult hippocampal neurogenesis. Here, I investigated how modulation of serotonergic neurotransmission by acute and chronic treatment with the antidepressant fluoxetine, and selective serotonin receptor agonists and antagonists in adult mice influences precursor cell activity during development. I focused on 5-HT1a and 5-HT2 receptors as major mediators of serotonin action. The present findings suggest that an opposed action of 5-HT1a and 5-HT2c receptor subtypes result in a balanced regulation of serotonin levels in the dentate gyrus. Both receptors differentially affect intermediate cell stages in adult hippocampal neurogenesis and play an important role in the survival of newly generated neurons. Furthermore, this study confirms that chronic fluoxetine treatment increases adult neurogenesis. In conclusion, the latency of onset of fluoxetine action can be explained by a balanced interplay of 5-HT1a and 5-HT2c receptor subtypes.

Das erwachsene Gehirn enthält neuronale, multipotente Stammzellen, aus denen in den beiden bekannten neurogenen Regionen des Gehirn, im Hippocampus und im olfaktorischen System, neue Nervenzellen hervorgehen. Aus Transplantationsstudien und anderen Untersuchungen weiß man, daß es die zelluläre Umgebung ist, die die neurogene Permissivität und damit die Entwicklung einer reifen neuen Nervenzelle aus einer Stamm- oder Vorläuferzelle, bestimmt. Die Schlüsselfrage lautet daher: Was macht eine neurogene Region neurogen? Neurogenität ist mehr als die Präsenz von neuralen Stammzellen. Die aktivitätsabhängige Regulation adulter hippocampaler Neurogenese stellt eine physiologische, positive Modulation von Neurogenität im erwachsenen Gehirn dar. Aktivitätsabhängige Regulation adulter hippocampaler Neurogenese ist vielstufig und kein An/Aus-Phänomen. Die unterschiedlichen Stufen der Regulation unterliegen unterschiedlicher genetischer Determination und unterschiedlicher Empfindlichkeit auf aktivitätsabhängige Stimuli. Die Steuerung des Überlebens neugeborener Zellen stellt möglicherweise den entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einem neuen Neuron dar. Die aktivitätsabhängige Selektion durch eine überlebensfördernde Wirkung rekrutiert jedoch aus einem Pool proliferierender Vorläuferzellen, die das neurogene Potential darstellen. Die subtile Regulation adulter hippocampaler Neurogenese durch funktionsabhängige Stimuli legt eine Relevanz für hippocampale Funktion, insbesondere Lern- und Gedächtnisvorgänge nahe. Entsprechend muß aber auch eine Bedeutung für hippocampale Pathologie diskutiert werden. Das Verständnis darüber, wie Neurogenität funktions- und aktivitätsabhängig modulierbar ist, ist von größter Relevanz für die Frage, ob und wie sich Neurogenese aus ruhenden neuronalen Stamm- und Vorläuferzellen auch außerhalb neurogener Regionen induzieren und in therapeutischer Absicht nutzen läßt. / The adult brain contains neuronal, multipotent stem cells. In two neurogenic regions of the adult brain, hippocampus and olfactory system, new neurons are generated from these stem cells. From transplantation studies and other investigations it is known that the cellular microenvironment provides the neurogenic permissiveness and determines the development of a mature new neuron from a stem or progenitor cell. Thus, the key question is, what defines a neurogenic region as neurogenic, if it is not the presence of neural stem cells alone. The activity-dependent regulation of adult hippocampal neurogenesis represents a physiologic and positive modulation of neurogenic permissiveness in the adult brain. Activity-dependent regulation of adult hippocampal neurogenesis occurs on multiple steps and is not an on/off phenomenon. The different levels of regulation are differentially influenced by genetic determination and different susceptibility to activity-dependent stimuli. The regulation of the survival of a newly generated cells might be the key step in the development of a new neuron. The activity-dependent recruitment of new neurons by means of a survival-promoting effect acts upon a pool of proliferating progenitor cells, which represent the neurogenic potential. The subtle regulation of adult neurogenesis by functional stimuli suggests a relevance of adult hippocampal neurogenesis for hippocampal function, in particular learning and memory. Accordingly, a potential relevance for hippocampal pathology has to be considered. Insights on how neurogenic permissiveness can be modulated in response to functional stimuli has important implications for the question, if and how neurogenesis from quiescent neuronal stem or progenitor cells can be induced inside and outside of neurogenic regions of the adult brain and can be used for therapeutic purposes.

No description available.

Adult hippocampal neurogenesis entails a continued recruitment of neural precursor cells (NPCs) into active cell cycle and their progressive transition into post-mitotic granule cells. These adult born neurons integrate into the existing circuitry and confer structural plasticity, which aids in key hippocampal functions. For sustained neurogenesis, the cell cycle entry of the NPCs has to be tightly controlled. Environmental cues strongly, and differentially, regulate this checkpoint. Voluntary physical activity represents such an established strong stimulus that results in enhanced proliferation within the neurogenic niche. However, mechanistic insights into the maintenance and regulation of quiescence and the responsiveness of the NPCs to acute physical activity, as a form of adaptive neurogenesis, are yet to be elucidated. In my doctoral studies, we identified redox regulation as a key pathway regulating the cellular state equilibrium. I further explored the role of cellular oxidative stress in the neurogenic course and in adaptive neurogenic responses. Our results show that non-proliferative precursors within the hippocampal dentate gyrus, unlike in other stem cell systems, are marked by high levels of cellular reactive oxygen species (ROS). Using cytometric methodologies, ex vivo bioassays and transcriptional profiling, we revealed that classifying cells based on intracellular ROS content identified functionally defined sub-populations of adult NPCs. We propose that a drop in intracellular ROS content precedes the transition of cellular states, specifically from quiescence to active proliferation. Acute physical activity involves the activation of non- proliferating cells through a transient Nox2-dependent ROS surge in high-ROS, quiescent NPCs. In the absence of Nox2, baseline neurogenesis was unaffected, but the activity- dependent response was abolished. These findings shed new light on the discrete cellular events, which maintain the homeostasis between distinct cellular states of NPCs within the adult murine hippocampus.:Zusammenfassung 3 Summary 4 Acknowledgements 5 Index 8 List of figures 10 List of tables 11 Abbreviations 12 Publications 14 Introduction 15 Adult hippocampal neurogenesis 16 Adult subventricular neurogenesis 21 Methods to study adult neurogenesis 23 Environmental regulation of neurogenesis 26 Redox regulation in a stem cell 29 Working hypothesis 31 Specific aims 31 Materials and methods 32 Mice 34 Physical activity paradigm 35 Thymidine labelling and tissue preparation 35 Fluorescence immunohistochemistry 35 DG and SVZ dissection and dissociation 36 Flow cytometry 36 Gating for ROS classes 36 Neurosphere culture 37 Generation of monolayer culture 37 Inducing quiescence through BMP4 treatment 38 Next Generation sequencing (NGS) 38 RNA extraction 38 Quality control and differential expression 39 Functional enrichment and expression profiles 41 RNA isolation and quantitative RTPCR (qRT-PCR) 43 Ki67 immunochemistry and quantification of in vivo proliferation 45 Quantification and statistical analysis 46 Data and software availability 48 Results 49 Intracellular ROS content functionally delineates subpopulations of neural precursor cells 49 Resolution of ROS profiles of DG and SVZ and neurosphere bioassay 49 Distribution of Nes-GFP cells into different ROS classes 54 Neural precursors of the different ROS classes have distinct molecular profiles 55 Changes in intracellular ROS content precede cell fate changes 65 ROS profiling of other cell types within the DG 70 ROS profiling of Astrocytes and type-1 cells 70 ROS profiling of Doublecortin (Dcx)positive cells of the neurogenic lineage 74 ROS profiling of microglial cells within the DG 77 Resolving the response of Nes-GFP subpopulations to environmental stimulus 78 Nes-GFP+ cells of the hiROS class specifically respond to physical activity 81 Changes in ROS content are not driven by mitochondrial activity 83 In vitro monolayer culture of NPCs as an independent corroboration 86 Discussion 89 The organization of an active stem cell niche with respect to redox content 89 Cytometric classification of cells within the DG 91 Establishing the cellular states of redox defined subsets of Nes-GFP+ adult precursors within the DG 95 Timeline of baseline proliferation within precursors and identifying the subset of precursors responsive to de novo physical activity 97 Monolayer culture to study cellular states and redox regulation 100 Nox2 dependency as a discriminatory feature of adaptive neurogenesis 101 Conclusion 103 References 104 Declarations 122 Anlage 1 122 Anlage 2 124

The hippocampus is a brain area fundamental for cognitive functions, such as learning, memory, spatial navigation and emotion regulation, and is mainly affected in Alzheimer’s disease (AD). AD is an irreversible neurodegenerative disease, characterized by pathological protein aggregations and cognitive impairments. To date, there is no treatment for Alzheimer’s disease. The search for a therapy is urgently needed to alleviate the suffering of patients and relieve the burden on society. Neural stem cells (NSCs) in the hippocampal neurogenic niche sustain continuous neurogenesis in adulthood. Adult hippocampal neurogenesis (AHN) is functionally associated with many cognitive and emotional functions in humans and rodents. In particular, hippocampal neurogenesis is impaired in AD patients and AD mouse models and may be a putative therapeutic target for curing AD. In my project, endogenous hippocampal neurogenesis is manipulated in the 3xTg AD mouse model by a chronic, genetically-driven expansion of hippocampal NSCs. Exploiting intrinsic NSCs potential to generate newborn neurons increases the neurogenesis in 3xTg AD mice. The boosted neurogenesis ameliorates the anxiety-like behavior, improves spatial navigational performances and restores the connectivity of the hippocampal network in AD. Altogether, this study demonstrates the beneficial effect of enhancing neurogenesis by exploiting the endogenous NSCs reserve to rescue AD phenotypes and elucidates the functional contribution of neurogenesis to learning and memory. The findings support and highlight the therapeutic potential of enhancing neurogenesis in the treatments of neurodegenerative diseases.

Es wurde Zellneubildung im erwachsenen cerebralen Cortex der Maus in Abhängigkeit von Umweltbedingungen und Aktivitätsgrad untersucht. Es war bekannt, dass eine reizreiche Umgebung und körperliche Aktivität die Neubildung von Nervenzellen im erwachsenen Hippokampus steigern. Als Zellproliferationsmarker wurde BrdU appliziert und BrdU-inkorporierende Zellen 1 Tag und 4 Wochen nach BrdU-Gabe unter Verwendung immunhistochemischer Methoden zur Detektion BrdU-inkorporierender Zellen in verschiedenen kortikalen Regionen und Schichten quantifiziert. Die phänotypische Charakterisierung BrdU+ Zellen wurde durch kombinierte Verwendung immunhistochemischer Methoden und konfokaler Mikroskopie vorgenommen. Die im adulten murinen cerebralen Cortex proliferierenden Zellen differenzierten weit überwiegend glial. Keine der kortikalen BrdU+ Zellen zeigte zweifelsfreie Zeichen einer neuronalen Differenzierung. Damit scheint die adulte Nervenzellneubildung unter physiologischen Bedingungen eine regionale Spezialität des Hippokampus und anderer Strukturen zu sein. Weder körperliche Aktivität (RUN) noch eine reizreiche Umgebung (ENR) führten 1 Tag oder 4 Wochen nach BrdU zu einem signifikanten Unterschied zur Kontrollgruppe (CTR), was die Anzahl BrdU+ Zellen im gesamten Cortex zusamengefaßt betrifft. Dagegen konnten die vorbeschriebenen Effekte von RUN und ENR auf hippokampale BrdU-inkorporierende Zellen repliziert werden. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass die Verstärkung adulter Neurogenese durch RUN und ENR im Gyrus dentatus des Hippokampus eine hippokampus-spezifische Reaktion und nicht etwa Teil einer generalisierten zentralnervösen Reaktion ist. Jedoch konnte gezeigt werden, dass körperliche Aktivität und eine reizreiche Umgebung zur lokalen Beeinflussung kortikaler Zellneubildung in bestimmten Schichten und Regionen führten. So konnten bei RUN-Tieren signifikant mehr BrdU+ Zellen in Schicht I des cingulären, motorischen und visuellen Cortex als bei CTR-Tieren gefunden werden. ENR-Tiere hatten 4 Wochen nach BrdU signifikant mehr BrdU+ Zellen in Schicht II/III des visuellen Cortex als CTR-Tiere. Die Phänotypisierung BrdU+ Zellen in diesen kortikalen Bereichen ergab, dass RUN zu einer lokalen, deutlich ausgeprägten Verstärkung der Neubildung von Mikroglia führte, während ENR tendentiell lokal kortikale Astrozytogenese verstärkte (signifikant in Schicht I des motorischen Cortex 4 Wochen nach BrdU). Damit konnte erstmals berichtet werden, dass körperliche Aktivität zelltypspezifisch die Neubildung kortikaler Mikroglia stimuliert. Dieses Ergebnis ist zunächst überraschend, da mikrogliale Proliferation und Aktivierung klassischweise im Zusammenhang mit Schadenszuständen des ZNS gesehen werden. In der Tat ist dies einer der ersten Befunde, der eine mikrogliale Reaktion mit nicht-pathologischen, vollkommen physiologischen Bedingungen in Verbindung bringt. Dies könnte einen neuen Blickwinkel auf mikrogliale Funktionen eröffnen. / The effect of physical activity and enriched environment on cell genesis in the cerebral cortex of adult mice were investigated. It is well known that living under the conditions of an enriched environment and physical activity both enhance the generation of new neurons in the adult murine hippocampus. To label proliferating cells mice were injected with bromodesoxyuridine (BrdU). The number of BrdU incorporating cells in different regions and layers of the cerebral cortex was determined 1 day and 4 weeks after BrdU administration. To characterize cortical BrdU+ cells phenotypically immunohistochemistry and confocal microscopy were used. Adult-generated cortical cells were glial cells. None of all the examined cortical BrdU+ cells showed immunoreactivity for NeuN (expressed in mature neurons) unambiguously indicating that the generation of new neurons in the adult brain is a speciality of the hippocampus and other brain structures. Physical activity (RUN) and enriched environment (ENR) did not affect the number of BrdU+ cells in all cortical regions taken together compared to control animals (CTR), both 1 day and 4 weeks after BrdU. However, the known effects of RUN and ENR on hippocampal cell genesis were replicated suggesting that the enhancement of adult hippocampal neurogenesis by RUN and ENR is a hippocampus-specific reaction and not part of a generalized reaction of the adult cns. It was shown that physical activity and enriched environment had effects on cell genesis in distinct cortical layers and regions. RUN-animals had significantly more BrdU+ cells in layer I of the cingulate, motor and visual cortex than CTR. ENR-animals had significantly more BrdU+ cells in layer II/III of the visual cortex than CTR 4 weeks after BrdU. Phenotyping of BrdU+ cells in these cortical parts revealed that RUN led to a marked increase of the generation of microglia. ENR tended to enhance astrocytogenesis in several cortical parts (reaching significance in layer I of the motor cortex 4 weeks after BrdU). This is the first report that physical activity stimulates the generation of cortical microglia in a cell-type-specific and to some degree region-specific manner. This result is surprising because microglial proliferation and activation are generally thought to occur under conditions involving damage to the nervous system. In fact, this is one of the first reports linking a microglial reaction with an entirely physiological condition. This might shed a new light on microglial function.