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Background: The submitted cumulative dissertation is based on two intertwined main studies with biomolecular foundation and clinical perspective on FUS-ALS complemented by two follow-up projects. This subtype of Amyotrophic lateral sclerosis is caused by heterozygous mutations mainly in the NLS of the FUS gene, which interferes with the proper nuclear import of the gene product. To date, there is no sufficient therapy available for this devastating neurodegenerative disease due to an incomplete pathophysiological understanding. Furthermore, not much is known about the specific clinical phenotype of FUS-ALS patients, including the influence of distinct FUS mutations due to the rarity of the disease. FUS is a DNA/RNA-binding protein that is mainly located in the nucleus and has essential functions in splicing, mRNA transport, transcription, and DNA damage repair. Hypothesis:1. It was hypothesized that the human-induced pluripotent stem-cell technique enables to create a sufficient motor neuron in-vitro cell model, which should provide new insights into unknown pathophysiological processes compared to previous cell models of FUS-ALS due to its patient-specific and human character. Thus, screening for potential therapeutic substances should be feasible using this model system. 2. Judging from the previously demonstrated, essential function of FUS in the DNA damage repair, FUS mutations are expected to increase the risk of malignant diseases in affected patients. Moreover, specific correlations between the nature of the mutation and the clinical, neurological phenotype appear plausible.Material & methods: First, an in-vitro cell culture model of FUS-ALS was established. For this purpose, a patient-specific, induced pluripotent stem cell-derived sMN culture was generated, which contained spinal motor neurons with mutations in the gene FUS or WT control cells. The Microfluidic Chamber system was used for the selective analysis of axons, which enabled the live-cell imaging of lysosomes and mitochondria using TIRF microscopy. For the analysis of DNA damage and its repair, gamma-H2A.X immunofluorescence staining was used on the one hand and live-cell laser ablation microscopy on the other, which allowed the precise induction of DNA damage and the monitoring of the repair response. For this purpose, isogenic FUS-GFP cell lines generated via CRISPR-Cas9n were used. A multicentre, retrospective cross-sectional study was conducted to determine genotype-phenotype correlations and the prevalence of malignant neoplasms in FUS-ALS. Previously published FUS-ALS cases have been added to perform a meta-analysis of clinical features.Results: Primarily, correct neuronal differentiation was observed prior to neurodegenerative phenotypes, perfectly mimicking a neurodegenerative disease in the dish. The typical cellular pathology of cytoplasmatic FUS deposition could be reproduced, making it a suitable model for more in-depth pathophysiological studies. Furthermore, the use of Microfluidic Chambers enabled the guided cultivation of neurons with somato-axonal direction of neurite outgrow along tiny microchannels in silico, resulting in a pure motoneuronal, axonal model. Within the distal axonal compartment of these channels, a loss of motility of both lysosomes and mitochondria was observed in parallel with a loss of the mitochondrial membrane potential, followed by the secondary degeneration of the distal axons of the sMNs with FUS mutation. A pathological increase in nuclear DNA damage has been identified as the cause of the distal-axonal phenotypes. This was due to a reduced nuclear FUS abundance as a result of the FUS-NLS mutation, which impaired proper nuclear import. There was evidence of a vicious cycle in this setting because the loss of the nuclear function of FUS disrupted the proper PAR-dependent DNA damage response, resulting in sustained DNA damage. Moreover, the remaining nuclear FUS was transferred into the cytoplasm upon phosphorylation by DNA-PK in a DNA damage response dependent manner, which is to date a process of unclear biological relevance. However, pharmacological inhibition of either the degradation of the PAR biopolymer or DNA-PK improved the nuclear presence of mutant FUS, restored its function in the DNA damage response, and finally prevented the distal axonal phenotype. Furthermore, the multicentric cohort study included 36 newly diagnosed patients. Only one in 40 patients was diagnosed with a malignant disease. By combining the newly diagnosed patients with previously published cases (186 cases in total), the so far most comprehensive database of FUS-ALS patients has been created. This allowed a thorough genotype-phenotype analysis, which showed a clear correlation between individual FUS mutations and the clinical phenotype. Conclusion: The experimental results indicated a primary nuclear insufficiency of mutated FUS, which is due to an impaired nuclear import and leads to a secondary axonal degeneration and finally to neuronal demise (“Dying-Back”). Potential therapeutic options have been identified, but their applicability and safety must be determined in prospective studies. The hypothesis of a generally increased risk of malignant diseases in the analysed FUS-ALS patient group was rejected. However, the clinical data of the meta-analysis are helpful in the counselling of newly diagnosed FUS-ALS patients, including the decision making of the therapeutic management and clearly add FUS-ALS to the family of diseases characterised by deficient DNA damage repair with purely neurological phenotypes such as AOA1, AOA2, and SCAN1.

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Neurodegenerative diseases have become one of the most common causes of death worldwide over the last couple of decades, with increasing tendency. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most common neurodegenerative disease affecting specifically spinal (lower) and cortical (upper) motor neurons in the spinal cord and brainstem, respectively. It is usually a late onset disorder (average age of onset in Germany is 61 years) and leads to death within 2-5 years after symptoms onset due to respiratory failure. To date, there is no cure for ALS and only two drugs have been approved for its treatment, which prolong the lifespan for up to six months or slow down disease progression in a subpopulation of patients. About 90 % of ALS cases are sporadic, while about 10 % are familial and hence caused by mutations in specific genes, among them fused in sarcoma (FUS), a DNA- and RNA-binding protein. Mutations in FUS account for roughly 5 % of familial cases and occur predominantly in its nuclear localization sequence (NLS), such as the FUS-P525L mutation. Neurons expressing this variant display a strong cytoplasmic mislocalization of FUS and hence a loss of its nuclear function. Among other pathological events, defects in axonal transport along microtubules have been observed early in disease progression in several models of FUS-ALS, indicating its role as a major hallmark of the disease. However, the mechanism of how transport is impaired within these neurons remains unknown to date. This study aimed at investigating two possible mechanisms how the FUS-P525L mutant variant affects microtubule-based axonal transport. First, it was analyzed whether FUS directly interacts with microtubules or motors and if the mislocalized, mutant variant alters this interaction. Secondly, cytoplasmic mislocalized FUS-P525L can no longer fulfil its regular role in the splicing of pre-mRNAs, among them the mRNA coding for the microtubule-associated protein tau. This reportedly leads to an increased ratio of translated tau isoforms containing four microtubule binding repeats (4R) to those containing three repeats (3R). 4R tau isoforms are known to have a stronger binding affinity towards microtubules and may hence impair transport more severely by acting as a roadblock for motor proteins. Towards this end, this study investigated whether an increase in 4R:3R tau isoform ratio is sufficient to impair microtubule based transport. Axonal transport was reconstituted in vitro using a kinesin-1-dependent microtubule gliding assays, in which microtubules are propelled by surface-immobilized kinesin-1 motors. The assay was modified and optimized to operate sensitively and robust in the presence of complex solutions such as whole cell lysates and the microtubule gliding velocity analyzed as a measure for motility of the underlying motors. To determine the direct interaction of FUS variants with kinesin-1 or microtubules, recombinant human wildtype FUS-GFP and FUS-P525L-GFP was added to the assay. In addition, ALS patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) expressing the same FUS variants were differentiated towards spinal motor neurons and their cell lysates applied to this assay in order to determine whether FUS variants need endogenous adaptors or interaction partners to interfere with kinesin-1 motility on microtubules. Further, to investigate the interference of tau isoforms with kinesin-1 motility, recombinant human 2N3R tau-GFP and 2N4R tau-mScarlet was purified from insect cells and added to the modified kinesin-1-dependent microtubule gliding assay, either individually or combined at different ratios. In addition, the binding of these tau variants to microtubules was assessed. The kinesin-1-dependent microtubule gliding assays was modified to operate sensitively and robustly in the presence of β-glycerophosphate (to inhibit endogenous phosphatases in whole cell lysates), and methylcellulose (to prevent microtubule detachment from kinesin-1 motors due to presence of β-glycerophosphate). Under these conditions, neither recombinant human FUS-GFP nor endogenous FUS-GFP variants in lysates of spinal motor neurons bound to microtubules or interfered with kinesin-1 motility. In contrast, both tau isoforms used in the present study bound to microtubules and impaired kinesin-1 motility, while 2N4R tau-mScarlet was a much more potent inhibitor of microtubule gliding and displayed a 20-fold stronger binding affinity to microtubules compared to 2N3R tau-GFP. Interestingly, increasing ratios of 4R:3R tau isoforms impaired kinesin-1-dependent microtubule gliding. In addition, the presence of 2N4R tau-mScarlet strongly prevented 2N3R tau-GFP from binding to microtubules. This study provides evidence that neither wildtype FUS nor the FUS-P525L variant directly interfere with axonal transport by interacting with kinesin-1 motors or microtubules. Further, the present data suggests that neither FUS variant impedes kinesin-1 motility on microtubules by interacting with endogenous adaptor proteins present in cell lysates of iPSC-derived spinal motor neurons. Therefore, it is proposed that axonal transport defects are not directly caused by interaction of cytoplasmic mislocalized FUS with the motors or microtubules, but rather arise as a consequence of other pathological events triggered by mutant FUS variants. In particular, this study demonstrates that an increased ratio of 4R:3R tau isoforms is sufficient to impair kinesin-1 motility on microtubules due to increased decoration of microtubules with 4R tau isoforms, preventing 3R tau isoforms from binding to microtubules. This strongly suggests that an increased ratio of 4R:3R tau isoforms, since FUS no longer regulates splicing of tau pre-mRNA upon its cytoplasmic mislocalization, may be sufficient to cause or contribute to the axonal transport defects observed early in FUS-ALS pathology. / Neurodegenerative Erkrankungen sind in den letzten Jahrzehnten mit zunehmender Tendenz zu einer der häufigsten Todesursachen weltweit geworden. Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung, die spezifisch spinale (untere) und kortikale (obere) Motoneuronen im Rückenmark bzw. im Hirnstamm betrifft. Es handelt sich in der Regel um eine spät einsetzende Krankheit (das mittlere Erkrankungsalter in Deutschland beträgt 61 Jahre) und führt innerhalb von 2-5 Jahren nach Auftreten der Symptome zum Tod aufgrund von Atemversagen. Bisher gibt es keine Heilung für ALS und es wurden nur zwei Medikamente für die Behandlung zugelassen, die die Lebensdauer um bis zu sechs Monate verlängern oder das Fortschreiten der Krankheit bei einer Subpopulation von Patienten verlangsamen. Ungefähr 90% der ALS-Fälle sind sporadisch, während ungefähr 10% familiär sind und daher durch Mutationen in bestimmten Genen verursacht werden, darunter fused in sarcoma (FUS), einem DNA- und RNA-bindenden Protein. Mutationen in FUS machen etwa 5% der familiären Fälle aus und treten überwiegend in der Kernlokalisierungssequenz (NLS) auf, wie beispielsweise die FUS-P525L Mutation. Neuronen, die diese Mutante exprimieren, zeigen eine starke zytoplasmatische Fehllokalisierung von FUS und damit einen Verlust seiner Funktionen im Zellkern. Neben anderen pathologischen Ereignissen wurden in mehreren FUS-ALS Modellsystemen Defekte im Mikrotubuli-basierenden axonalen Transport früh im Krankheitsverlauf beobachtet, was auf seine Rolle als eines der Hauptmerkmale dieser Krankheit hindeutet. Der Mechanismus, wie der Transport innerhalb dieser Neuronen beeinträchtigt wird, ist jedoch bis heute unbekannt. Ziel dieser Studie ist es, zwei mögliche Mechanismen zu untersuchen, wie das mutierte FUS-P525L Protein den axonalen Transport entlang von Mikrotubuli beeinflusst. Zunächst wurde analysiert, ob FUS direkt mit Mikrotubuli oder Motorproteinen interagiert und ob zytoplasmatische fehllokalisierte FUS-P525L Protein diese Interaktion verändert. Ferner kann zytoplasmatische fehllokalisiertes FUS-P525L seine reguläre Rolle beim Spleißen von Prä-mRNAs nicht mehr erfüllen, darunter die mRNA, die für das mit Mikrotubuli-assoziierte Protein Tau kodiert. Dies führt zu einem erhöhten Verhältnis von translatierten Tau-Isoformen, die vier Mikrotubuli-Bindestellen (4R) enthalten, zu solchen mit drei Bindestellen (3R). Es ist bekannt, dass 4R-Tau-Isoformen eine stärkere Bindungsaffinität zu Mikrotubuli im Vergleich zu 3R-Tau-Isoformen aufweisen und daher den Transport stärker beeinträchtigen können, indem sie als Hindernis für Motorproteine agieren. In dieser Studie wurde daher untersucht, ob eine Erhöhung des Verhältnisses von 4R:3R-Tau-Isoform ausreicht, um den Mikrotubuli-basierenden Transport zu beeinträchtigen. Der axonale Transport wurde in vitro unter Verwendung eines Kinesin-1-gestuerten Mikrotubuli Motilitätsassay rekonstruiert, bei welchem Mikrotubuli von darunterliegenden oberflächenimmobilisierte Kinesin-1 Motorproteinen transportiert werden, also über die Oberfläche gleiten. Der Assay wurde modifiziert und optimiert, um in Gegenwart komplexer Lösungen wie Ganzzelllysaten sensitiv und robust zu funktionieren, und die Gleitgeschwindigkeit der Mikrotubuli wurde als Maß für die Motilität der darunterliegenden Motoren analysiert. Um die direkte Wechselwirkung von FUS-Varianten mit Kinesin-1 Motorproteinen oder Mikrotubuli zu bestimmen, wurde dem Assay rekombinantes menschliches Wildtyp-FUS-GFP und FUS-P525L-GFP hinzugegeben. Zusätzlich wurden ALS-patientenspezifische, induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), welche dieselben FUS-Varianten exprimieren, zu spinalen Motoneuronen differenziert und ihre Zelllysate in diesem Assay angewendet, um zu bestimmen, ob FUS-Varianten endogene Adapter oder Interaktionspartner für die Interaction mit Kinesin-1 oder Mikrotubuli benötigen. Um den Einfluss von Tau-Isoformen auf die Kinesin-1 Motilität zu untersuchen, wurde rekombinantes menschliches 2N3R Tau-GFP und 2N4R Tau-mScarlet aus Insektenzellen aufgereinigt und dem modifizierten Kinesin-1-gesteuerten Mikrotubuli Motilitätsassay entweder einzeln oder in unterschiedlichen Verhältnissen kombiniert hinzugegeben. Zusätzlich wurde die Bindung dieser Tau-Varianten an Mikrotubuli analysiert. Der Kinesin-1-gesteuerte Mikrotubuli Motilitätsassay wurden so modifiziert, dass er in Gegenwart von β-Glycerophosphat (zur Hemmung endogener Phosphatasen in Ganzzelllysaten) und Methylcellulose (zur Verhinderung der Ablösung von Mikrotubuli von Kinesin-1 Motoren aufgrund von β-Glycerophosphat) empfindlich und robust funktioniert. Unter diesen Bedingungen zeigten weder rekombinantes menschliches FUS-GFP noch endogene FUS-GFP-Varianten in Lysaten von spinalen Motoneuronen eine Wechselwirkung mit Mikrotubuli und beeinträchtigten auch nicht die Kinesin-1 Motilität. Im Gegensatz dazu banden beide in der vorliegenden Studie verwendeten Tau-Isoformen an Mikrotubuli und beeinträchtigten die Kinesin-1-Motilität, wobei 2N4R Tau-mScarlet das Gleiten von Mikrotubuli viel stärkerer beeinträchtigte und eine 20-fach stärkere Bindungsaffinität zu Mikrotubuli im Vergleich zu 2N3R Tau-GFP zeigte. Ferner beeinträchtigten steigende Verhältnisse von 4R:3R Tau-Isoformen über Kinesin-1 gleitende Mikrotubuli, während die Präsenz von 2N4R Tau-mScarlet die Bindung von 2N3R Tau-GFP an Mikrotubuli stark verminderte. Diese Studie liefert Hinweise darauf, dass weder Wildtyp-FUS noch die FUS P525L-Variante den axonalen Transport direkt beeinflussen, da sie nicht mit Kinesin-1 Motorproteinen oder Mikrotubuli interagieren. Ferner legen die vorliegenden Daten nahe, dass keine der FUS-Varianten die Kinesin-1 Motilität auf Mikrotubuli durch Wechselwirkung mit endogenen Adapterproteinen behindert, die in Zelllysaten von iPSC-differenzierte spinalen Motoneuronen vorhanden sind. Dies legt nahe, dass axonale Transportdefekte nicht durch direkte Wechselwirkung von zytoplasmatisch fehllokalisiertem FUS Protein mit Motorproteinen oder Mikrotubuli verursacht werden, sondern als Folge anderer pathologischer Ereignisse auftreten, die durch mutierte FUS-Varianten entstehen. Insbesondere zeigt diese Studie, dass ein erhöhtes Verhältnis von 4R:3R Tau-Isoformen ausreicht, um die Kinesin-1 Motilität auf Mikrotubuli zu behindern. Dies geschieht vermutlich aufgrund der erhöhten Bindung von 4R Tau-Isoformen an Mikrotubuli, weil dadurch die Bindung von 3R Tau-Isoformen an Mikrotubuli verhindert wird. Dies deutet stark darauf hin, dass ein erhöhtes Verhältnis von 4R:3R Tau-Isoformen, verursacht durch die fehlende regulatorische Beteiligung von FUS am Spleißen von Tau-Prä-mRNA aufgrund der zytoplasmatischen Fehllokalisation von FUS, wahrscheinlich zu den axonalen Transportdefekten beiträgt, die früh in der FUS-ALS-Pathologie beobachtet wurden.

Der Palmomentalreflex (PMR) wird im Allgemeinen als Primitivreflex und kortikales Enthemmungszeichen (frontal release sign) gedeutet. Erstmals wurde er bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) beschrieben und mit einer Schädigung der kortikobulbären Trakte assoziiert. Auch ein Zusammenhang mit kognitiven Veränderungen wird diskutiert. Diese spielen bei der ALS neben motorischen Defiziten mittlerweile eine ebenso wichtige Rolle. Ziel der vorliegenden prospektiven monozentrischen Querschnittsstudie war es, den Einfluss motorischer und neurokognitiver Dysfunktionen auf das Auftreten eines PMR in der ALS zu untersuchen. Hierfür wurden 97 Patienten mit ALS und ALS-Varianten eingeschlossen und in Abhängigkeit des PMR untereinander verglichen. Der PMR wurde in einem standardisierten Verfahren klinisch getestet. Das neurokognitive Profil wurde mithilfe des Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) erhoben. Die Krankheitsschwere und motorische Affektion wurden anhand der revidierten ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) und einer standardisierten klinischen Untersuchung ermittelt. In 52 % aller Patienten konnte ein pathologischer PMR nachgewiesen werden. Diese Patienten zeigten im Vergleich zu Patienten ohne PMR signifikant häufiger klinische Zeichen einer motorischen Dysfunktion in der bulbären Region. Eine systematische Untersuchung mithilfe einer adaptierten Form des Sydney Facial Grading System konnte zudem signifikante Beeinträchtigungen der bulbär-innervierten mimischen Muskulatur bei Patienten mit pathologischem PMR aufdecken. Allerdings konnte die vorliegende Arbeit entgegen bisherigen Annahmen keine Korrelation mit einer isolierten Schädigung des oberen Motoneurons in der bulbären Region bestätigen. In der ALSFRS-R schnitten Patienten mit PMR schlechter in bulbären, aber auch in spinal-respiratorischen Funktionen ab. Das kognitive Leistungsprofil des ECAS zeigte für Patienten mit PMR signifikant niedrigere Durchschnittswerte im ALS-spezifischen Teil, in der Subdomäne der exekutiven Funktionen und der ECAS Gesamtwertung. Auch unter Berücksichtigung der alters- und bildungsadaptierten Cut-Off-Werten war deren Anteil mit kognitiven Defiziten in jenen Teilergebnissen höher. Ferner erbrachte die Verhaltens- und Psychose-Befragung bei Patienten mit PMR Hinweise auf eine Häufung von Verhaltensauffälligkeiten. Eine multivariate Regressionsanalyse legte einen signifikanten Einfluss von bulbär-motorischen Schädigungszeichen, niedrigeren Werten spinal-respiratorischer Funktionen der ALSFRS-R und Beeinträchtigungen exekutiver Funktionen für das Auftreten eines PMR dar. Dabei war der motoneuronale Schaden in der Bulbärhirnregion der stärkste Prädiktor. In der Studie konnte damit gezeigt werden, dass ein motoneuronaler Schaden in der nach den El-Escorial-Kriterien definierten bulbären Region einen deutlich stärkeren Einfluss im Vergleich zu exekutiven Funktionsstörungen auf das Auftreten eines PMR hat. Bei dem Krankheitsbild der ALS scheint er daher primär ein klinisches Zeichen eines motorischen Schadens in der bulbären Region und nur in geringerem Maße exekutiver Dysfunktion zu sein. In unklaren diagnostischen Situationen könnte der PMR daher als zusätzlicher klinischer Marker herangezogen werden, um eine motoneuronale Schädigung in der bulbären Region oder eine exekutive Funktionsstörung aufzudecken.:I. Abkürzungsverzeichnis I II. Abbildungsverzeichnis II III. Tabellenverzeichnis IV 1 Einleitung 1 1.1 Der Palmomentalreflex 1 1.1.1 Allgemeine Definition 1 1.1.2 Epidemiologie des PMR 1 1.1.3 Neuroanatomische Grundlagen des PMR 3 1.1.4 Klinische Bedeutung 5 1.2 Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) 6 1.2.1 Definition 6 1.2.2 Einteilung und klinische Phänotypen 7 1.2.2.1 Spinaler Beginn 7 1.2.2.2 Bulbärer Beginn 8 1.2.2.3 Varianten der ALS 9 1.2.2.3.1 Progressive Muskelatrophie (PMA) 9 1.2.2.3.2 Primäre Lateralsklerose (PLS) 10 1.2.2.3.3 Flail-Arm-Syndrom und Flail-Leg-Syndrom 10 1.2.2.3.4 Progressive Bulbärparalyse und Pseudobulbärparese 11 1.2.2.3.5 Axiale und respiratorische ALS 12 1.2.2.3.6 Hemiplegische und pseudopolyneuritische ALS 12 1.2.3 Krankheitsprogress und Erkrankungsschwere der ALS 13 1.2.4 ALS und kognitiv-behaviorale Veränderungen 13 1.2.5 Kognitions- und Verhaltenserfassung bei der ALS 15 1.2.5.1 Diagnostische Kriterien nach Strong et al. 15 1.2.5.2 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 15 1.3 Fragestellungen 17 2 Material und Methoden 18 2.1 Studiendesign und Patientenkollektiv 18 2.1.1 Ein- und Ausschlusskriterien 18 2.1.2 Patientengruppen nach revidierten El-Escorial-Kriterien 18 2.2 Klinisch-neurologische Untersuchung 20 2.2.1 Untersuchung der zervikal- und lumbosakral-innervierten Muskulatur 20 2.2.1.1 Evaluation der Kraftgrade 20 2.2.1.2 Evaluation des Reflexstatus 22 2.2.2 Untersuchung der bulbär-innervierten Muskulatur 23 2.3 Untersuchung des PMR 25 2.3.1 Auslösbarkeit des PMR 26 2.3.1.1 Uni- oder bilaterale Reflexantwort 26 2.3.1.2 Habituation 26 2.3.1.3 Reflexzonenerweiterung 26 2.4 Bewertung des PMR 27 2.5 Die revidierte ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 28 2.6 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 30 2.7 Statistische Auswertung 32 3 Ergebnisse 33 3.1 Demographische Daten 33 3.1.1 Gesamtkohorte 33 3.1.2 Kohorten 33 3.2 ALS Phänotypen 34 3.3 Erstmanifestationsort der Erkrankung 36 3.4 Bulbäre Region 37 3.4.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der bulbären Region 38 3.5 Zervikale Region 40 3.5.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der zervikalen Region 41 3.6 Lumbosakrale Region 43 3.6.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der lumbosakralen Region 44 3.7 Der PMR und eine Affektion des 1. bzw. 2. Motoneurons 46 3.8 Funktionsprüfung der mimischen Muskulatur 48 3.9 Ergebnisse des Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 50 3.9.1 Ergebnisse der durchschnittlichen kognitiven Leistungen des Gesamtkollektivs 50 3.9.2 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion des Gesamtkollektivs nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten 50 3.9.3 Spezifität und Sensitivität der Subscores bezüglich der ECAS Gesamtpunktzahl 51 3.9.4 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des ALS-spezifischen Teils 52 3.9.5 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des nicht-ALS-spezifischen Teils 52 3.9.6 ECAS - ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 53 3.9.7 ECAS - nicht-ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 54 3.9.8 ECAS Teil- und Gesamtergebnisse in Abhängigkeit des PMR 55 3.9.9 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten in Abhängigkeit des PMR 56 3.9.10 Ergebnisse der ECAS Verhaltens- und Psychose-Befragung 59 3.10 Ergebnisse der revidierten ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 61 3.10.1 Durchschnittswert in der ALSFRS-R des Gesamtkollektivs 61 3.10.2 Durchschnittswert in der ALSFRS-R in Abhängigkeit des PMR 61 3.11 Einflussfaktoren auf das Auftreten des PMR 63 3.11.1 Univariate logistische Regressionsanalyse mit der Zielvariable PMR 63 3.11.2 Bivariate Korrelationen, Prüfung auf Multikollinearität und Modellformulierung 65 3.11.3 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen, exekutiver Dysfunktionen und der ALSFRS-RS auf das Auftreten des PMR 66 4 Diskussion 68 4.1 Patienten und Methoden 68 4.2 Motoneuronale Schädigung und der PMR 70 4.3 Die ALSFRS-R und der PMR 73 4.4 Kognitiv-behavoriale Veränderungen im ECAS und der PMR 73 4.5 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen und kognitiver Dysfunktionen auf den PMR 76 4.6 Schlussfolgerung und Ausblick 76 4.7 Limitationen der Studie 77 5 Zusammenfassung 79 6 Abstract 81 7 Literaturverzeichnis 82 8 Aus der Arbeit hervorgegangene Publikationen 95 9 Danksagung 96 10 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 97 11 Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben 98 / The palmomental reflex (PMR) is commonly interpreted as a primitive reflex and a sign of cortical disinhibition (frontal release sign). It has originally been described in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and attributed to lesions of corticobulbar tracts. A relation to cognitive changes is also discussed, which play an essential role in ALS besides motor deficits. The aim of this prospective cross-sectional monocenter study was to investigate the impact of motor and neurocognitive impairment on the appearance of PMR in ALS patients. 97 patients with ALS and ALS variants were enrolled and compared among each other regarding PMR. PMR was clinically examined in a standardized procedure. To assess the cognitive profile the Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) was performed. Disease severity and affection of motor system were evaluated by the revised ALS functional rating scale (ALSFRS-R) and standardized clinical examination. In 52 % of all patients pathological PMR was present. These patients showed significantly more frequent motor dysfunction in bulbar region than patients without PMR. By applying an adapted version of the Sydney Grading System a systematic examination revealed significant impairment of bulbar-innervated facial muscles in patients with pathological PMR. However, contrary to previous assumptions, this study could not confirm a correlation with isolated upper motor neuron involvement in the bulbar region. In ALSFRS-R, patients with PMR performed worse for bulbar functions as well as for spinal and respiratory functions. The neurocognitive profile of the ECAS revealed significantly lower average values in the ALS-specific sub score, its subdomain of executive functions and ECAS total score for patients with PMR. In consideration of age- and education-adapted cut off values published by Loose et al., the proportion with cognitive deficits in above mentioned scores was also higher in patients with PMR. Furthermore, a behavioral and psychosis assessment detected indications of behavioral impairment in patients with PMR. In a multivariate regression analysis, motor dysfunction in the bulbar region, lower scores for spinal and respiratory functions in ALSFRS-R and impaired executive functions had an impact on the appearance of PMR, while motor dysfunction in the bulbar region being the strongest predictor. This study hereby presented that motor dysfunction in the bulbar region based on El-Escorial criteria has a much stronger impact on PMR than executive dysfunctions. Therefore, PMR is suggested to be primarily a sign of bulbar involvement and, to a lesser degree, of executive dysfunction in ALS. As an additional clinical marker, PMR may help to define bulbar involvement or executive dysfunction in unclear situations.:I. Abkürzungsverzeichnis I II. Abbildungsverzeichnis II III. Tabellenverzeichnis IV 1 Einleitung 1 1.1 Der Palmomentalreflex 1 1.1.1 Allgemeine Definition 1 1.1.2 Epidemiologie des PMR 1 1.1.3 Neuroanatomische Grundlagen des PMR 3 1.1.4 Klinische Bedeutung 5 1.2 Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) 6 1.2.1 Definition 6 1.2.2 Einteilung und klinische Phänotypen 7 1.2.2.1 Spinaler Beginn 7 1.2.2.2 Bulbärer Beginn 8 1.2.2.3 Varianten der ALS 9 1.2.2.3.1 Progressive Muskelatrophie (PMA) 9 1.2.2.3.2 Primäre Lateralsklerose (PLS) 10 1.2.2.3.3 Flail-Arm-Syndrom und Flail-Leg-Syndrom 10 1.2.2.3.4 Progressive Bulbärparalyse und Pseudobulbärparese 11 1.2.2.3.5 Axiale und respiratorische ALS 12 1.2.2.3.6 Hemiplegische und pseudopolyneuritische ALS 12 1.2.3 Krankheitsprogress und Erkrankungsschwere der ALS 13 1.2.4 ALS und kognitiv-behaviorale Veränderungen 13 1.2.5 Kognitions- und Verhaltenserfassung bei der ALS 15 1.2.5.1 Diagnostische Kriterien nach Strong et al. 15 1.2.5.2 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 15 1.3 Fragestellungen 17 2 Material und Methoden 18 2.1 Studiendesign und Patientenkollektiv 18 2.1.1 Ein- und Ausschlusskriterien 18 2.1.2 Patientengruppen nach revidierten El-Escorial-Kriterien 18 2.2 Klinisch-neurologische Untersuchung 20 2.2.1 Untersuchung der zervikal- und lumbosakral-innervierten Muskulatur 20 2.2.1.1 Evaluation der Kraftgrade 20 2.2.1.2 Evaluation des Reflexstatus 22 2.2.2 Untersuchung der bulbär-innervierten Muskulatur 23 2.3 Untersuchung des PMR 25 2.3.1 Auslösbarkeit des PMR 26 2.3.1.1 Uni- oder bilaterale Reflexantwort 26 2.3.1.2 Habituation 26 2.3.1.3 Reflexzonenerweiterung 26 2.4 Bewertung des PMR 27 2.5 Die revidierte ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 28 2.6 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 30 2.7 Statistische Auswertung 32 3 Ergebnisse 33 3.1 Demographische Daten 33 3.1.1 Gesamtkohorte 33 3.1.2 Kohorten 33 3.2 ALS Phänotypen 34 3.3 Erstmanifestationsort der Erkrankung 36 3.4 Bulbäre Region 37 3.4.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der bulbären Region 38 3.5 Zervikale Region 40 3.5.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der zervikalen Region 41 3.6 Lumbosakrale Region 43 3.6.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der lumbosakralen Region 44 3.7 Der PMR und eine Affektion des 1. bzw. 2. Motoneurons 46 3.8 Funktionsprüfung der mimischen Muskulatur 48 3.9 Ergebnisse des Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 50 3.9.1 Ergebnisse der durchschnittlichen kognitiven Leistungen des Gesamtkollektivs 50 3.9.2 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion des Gesamtkollektivs nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten 50 3.9.3 Spezifität und Sensitivität der Subscores bezüglich der ECAS Gesamtpunktzahl 51 3.9.4 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des ALS-spezifischen Teils 52 3.9.5 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des nicht-ALS-spezifischen Teils 52 3.9.6 ECAS - ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 53 3.9.7 ECAS - nicht-ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 54 3.9.8 ECAS Teil- und Gesamtergebnisse in Abhängigkeit des PMR 55 3.9.9 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten in Abhängigkeit des PMR 56 3.9.10 Ergebnisse der ECAS Verhaltens- und Psychose-Befragung 59 3.10 Ergebnisse der revidierten ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 61 3.10.1 Durchschnittswert in der ALSFRS-R des Gesamtkollektivs 61 3.10.2 Durchschnittswert in der ALSFRS-R in Abhängigkeit des PMR 61 3.11 Einflussfaktoren auf das Auftreten des PMR 63 3.11.1 Univariate logistische Regressionsanalyse mit der Zielvariable PMR 63 3.11.2 Bivariate Korrelationen, Prüfung auf Multikollinearität und Modellformulierung 65 3.11.3 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen, exekutiver Dysfunktionen und der ALSFRS-RS auf das Auftreten des PMR 66 4 Diskussion 68 4.1 Patienten und Methoden 68 4.2 Motoneuronale Schädigung und der PMR 70 4.3 Die ALSFRS-R und der PMR 73 4.4 Kognitiv-behavoriale Veränderungen im ECAS und der PMR 73 4.5 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen und kognitiver Dysfunktionen auf den PMR 76 4.6 Schlussfolgerung und Ausblick 76 4.7 Limitationen der Studie 77 5 Zusammenfassung 79 6 Abstract 81 7 Literaturverzeichnis 82 8 Aus der Arbeit hervorgegangene Publikationen 95 9 Danksagung 96 10 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 97 11 Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben 98

Trotz intensiver Forschung ist die Ätiologie der sporadischen amyotrophen Lateralsklerose (sALS) weiterhin unbekannt. Zahlreiche Anzeichen deuten allerdings auf eine Mitbeteiligung von oxidativem Streß an der Pathogenese der sALS hin. So fand sich eine verminderte Aktivität der zellulären Glutathion-Peroxidase (GPX-1), eines als Radikalenfänger fungierenden Enzyms, in den Gyrus praecentrales bei sALS-Patienten. Zusätzliche Studien fanden eine Trinukleotid-Expansion des GGG-repeats im 1. Exon des für die GPX-1 kodierenden Gens. Da Trinukleotid-Expansionen bei einer Vielzahl von neurodegenerativen Erkrankungen wie dem Kennedy-Syndrom und der spinozerebellären Ataxie nachgewiesen werden konnten, war das Ziel dieser Arbeit, eine fragliche Mitbeteiligung dieser Trinkukleotid-Expansion der GPX-1 an der Pathogenese der sALS zu klären. Nach Etablierung der Methode bestehend aus einer Kombination von Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus (RFLP) zeigte sich, dass der Genotyp 4*5 bei einer Gruppe von 231 sALS-Patienten signifikant häufiger vertreten war, wohingegen der Genotyp 5*6 in der Kontrollgruppe signifikant überrepräsentiert war. Im Vergleich zu bisher veröffentlichten Ergebnissen ließ sich der Genotyp 4*4 in der Kontrollgruppe signifikant häufiger nachweisen. Ursache hierfür könnte - neben einem tatsächlich erhöhten Risiko, an sALS zu erkranken - der Zusammenhang mit einem C/T-Polymorphismus der GPX-1 sein, der zu einem Austausch von Prolin zu Leucin führt. Die für Leucin kodierende Variante tritt hierbei nur zusammen mit 5 GCG-repeats auf, während die für Prolin kodierende Variante mit dem Auftreten von 4 und 6 GCG-repeats korreliert. / In spite of intensive research efforts the ethiology of sporadic amyotrophic lateral sclerosis (sALS) remains unknown. Various indices indeed suggest an involvement of oxidative stress in the pathogenesis of sALS. Thus a decreased activity of the cellular glutathione peroxidase (GPX-1) in gyrus praecentrales of sALS patients could be detected, an enzym strongly participating in the clearence of free radicals. Additional studies uncovered a trinucleotid expansion of a GCG repeat in the 1st exon of the gene coding for GPX-1. Such trinucleotid expansions play a major role in a variety of neurodegenerative disorders like the Kennedy Syndrom and spinal-cerebellary ataxia. Goal of this work was to disclose a possible involvement of the GCG expansion in the pathogenesis of sALS. Through the successful establishment of the methodology consisting of a combination of polymerase chain reaction (PCR) and restriction fragment length polymorphism (RFLP) we could demonstrate a significant decrease of the genotype 4*5 in a group of 231 sALS patients, whereas the genotype 5*6 was overrepresented in the control group. Compared to hitherto publications we detected an increased occurrence of the 4*4 genotype in the control group. Besides an effective increased risk to contract sALS, the distribution of the GCG-repeat expansion could originate from another C/T polymorphism of GPX-1-gene leading to a substitution of proline with leucine. The leucine coding mutation occurs together with 5 GCG repeats, whereas the proline coding mutant correlates with 4 and 6 GCG-repeats.

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