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Das Einkomponentensystem CadC in Escherichia coli zählt zur Gruppe der ToxR-ähnlichen Transkriptionsregulatoren und aktiviert bei niedrigem pH-Wert die Expression des cadBA-Operons, einem Säure-induzierbaren Lysin-Decarboxylase-System. Transkriptionsregulatoren der ToxR-Familie zeichnen sich durch einen gemeinsamen modularen Aufbau aus und bestehen aus einer periplasmatischen Sensordomäne, einer Transmembranhelix und einer zytoplasmatischen Effektordomäne. Die Signalwahrnehmung, -weiterleitung und -verarbeitung erfolgt bei den ToxR-ähnlichen Transkriptionsregulatoren innerhalb eines einzelnen Proteins. Die molekularen Mechanismen der Reizwahrnehmung durch CadC sind bekannt, die Signalweiterleitung und -verarbeitung im Zytoplasma sind hingegen weitgehend ungeklärt. In CadC ist ein zytoplasmatischer Linker (51 Aminosäuren) essentiell für die Signaltransduktion von der sensorischen Domäne zur DNA-Bindedomäne. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Mechanismus der Signalweiterleitung von der sensorischen Domäne zur DNA-Bindedomäne untersucht. Mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie konnte gezeigt werden, dass die Linkerregion unstrukturiert vorliegt. Im Rahmen einer umfangreichen Mutagenesestudie wurde beobachtet, dass sowohl eine Vielzahl an Aminosäuresubstitutionen (Veränderungen der Ladung, der Rigidität oder der Wahrscheinlichkeit zur Bildung einer α-Helix) als auch die Verlängerung des CadC-Linkers zu keiner funktionellen Beeinträchtigung führte. Jedoch wurde die Signalverarbeitung im Zytoplasma durch Verkürzung des Linkers modifiziert und verursachte ein invertiertes Expressionsprofil des Zieloperons cadBA oder die Entkopplung der Expression vom externen pH. Der Linkerregion in CadC konnte keine Rolle in der Oligomerisierung zugeordnet werden. Unabhängig vom Linker wurde in einer in vivo Interaktionsstudie eine pH-abhängige Interaktion (pH < 6,8) zwischen CadC-Monomeren gezeigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Röntgenkristallstruktur (2,0 Ångström) und in einem parallelen Ansatz die NMR-Struktur (0,46 backbone RMSD) der zytoplasmatischen Effektordomäne in CadC als erste dreidimensionale Struktur der DNA-Bindedomäne eines ToxR-ähnlichen Regulators aufgeklärt. In der Struktur von CadC1-107 wurde ein „winged Helix-Turn-Helix“-Motiv aus der Familie der OmpR-ähnlichen Transkriptionsregulatoren beobachtet. Im Gegensatz zu der Topologie bereits gelöster OmpR-ähnlichen Regulatoren enthält CadC am Übergang von DNA-Bindedomäne und Linkerregion einen zusätzlichen β-Strang (β-Strang 7), welcher sich stabilisierend auf die DNA-Bindung auswirken könnte. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde der DNA-Bindemechanismus von CadC an den cadBA-Promotor untersucht. In in vitro Versuchen zur Bindung von löslichen CadC-Varianten an DNA konnte eine sehr geringe Dissoziationsrate beobachtet werden. Somit ist nicht die Affinität zur DNA sondern die Stimulus-abhängige Interaktion von CadC mit der α-Untereinheit der RNA-Polymerase essentiell für die Aktivierung des cadBA-Operons. Außerdem wurden, basierend auf der Kristallstruktur der DNA-Bindedomäne von CadC Aminosäuresubstitutionen durchgeführt. Die Aminosäure His66 in der Erkennungshelix α3 ist an der Interaktion mit der großen Furche der DNA beteiligt, während die Aminosäuren Lys95 und Arg96 die Interaktion mit der kleinen Furche der DNA vermitteln. Die Ergebnisse dieser Arbeit postulieren ein Modell zur Signalverarbeitung in CadC, in welchem die Signalwahrnehmung im Periplasma zu konformationellen Veränderungen des unstrukturierten CadC-Linkers führt und somit die räumliche Positionierung der DNA-Bindedomänen im CadC-Dimer ermöglicht wird.

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Neuronal cell adhesion molecules have recently been put into the spotlight of preclinical and clinical research as potential candidates for the mediation of stress effects on brain function and behavior. The stress-induced remodeling of neuronal circuits for structural and functional changes is triggered by the reorganization of synaptic connections, a process that is potentially mediated by neuronal cell adhesion molecules. Disturbances in neuronal connectivity, induced by genetic and/or environmental influences, may cause behavioral dysfunctions related to neuropsychiatric disorders. Understanding the actions of these molecules at the synapse may thus provide insights into fundamental processes of synaptic cell adhesion and connectivity, but moreover help to elicit the molecular mechanisms underlying synapse properties and function. In this thesis, I investigated the involvement of two candidate molecules, NCAM and Neuroligin-2, in stress and social behavior. Concerning NCAM, I could show that diminished expression in the forebrain renders individuals more vulnerable to chronic stress in adulthood. In detail, I extended the knowledge about NCAM by examining the impact of a conditional NCAM-knockout on emotional and aggression-related behavior in the interplay with stress. Further, I investigated the role of neuroligin-2 in mediating the effects of early-life stress on social behavior, social cognition and aggression. Therefore, I characterized and validated an early-life stress model on alterations of social behavior in adulthood and identified neuroligin-2 as potential mediator of the stress effects and behavioral alterations. I could show that neuroligin-2 expression in the hippocampus critically impacts on social behavior, rendering it a promising target for therapeutic interventions. The findings presented in my thesis clearly demonstrate a crucial role of neuronal cell adhesion molecules in stress, social behavior, especially aggression, and social cognition, and provide an encouraging foundation for future research on novel treatment strategies for neuropsychiatric disorders based on the molecular actions and interactions of neuronal cell adhesion molecules.

In der Großhirnrinde von Säugetieren befindet sich die Mehrheit erregender Synapsen auf Dornfortsätzen, kleinen dendritischen Ausbuchtungen, die in Größe und Form stark variieren. Die Auslösung aktivitätsabhängiger synaptischer Langzeitplastizität geht mit strukturellen Veränderungen dendritischer Dornen einher. Da das beugungsbegrenzte Auflösungsvermögen konventioneller Lichtmikroskope nicht ausreicht um die Morphologie der Dornen verlässlich zu untersuchen, stellte die Elektronenmikroskopie bisher das wichtigste bildgebende Verfahren zur Erforschung von struktureller Plastizität dar, blieb dabei jedoch auf die Betrachtung fixierter Gewebeproben beschränkt. Die Anwendung hochauflösender Laser-Raster-Mikroskopie mit Stimulierter-Emissions-Auslöschung hat es mir möglich gemacht, die Dynamik dendritischer Dornenmorphologie in lebenden Zellen zu studieren. Die N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor-abhängige Langzeitpotenzierung von Pyramidenzellen der Cornu-Ammonis Region 1 des Hippocampus bildete dabei den Mechanismus, welcher plastische Veränderungen hervorrief. Nach Potenzierung exzitatorischer Synapsen durch die lokale Ultraviolett-Photolyse von caged-Glutamat wurde ein starker, vorübergehender Anstieg des Anteils dendritischer Dornen mit sichelförmigen Köpfen und ein leichter, anhaltender Zuwachs an pilzförmigen Dornfortsätzen über einen Zeitraum von 50 Minuten beobachtet. Meine Untersuchungen ergänzen frühere Studien zur Wechselbeziehung zwischen synaptischer Potenzierung und struktureller Plastizität dendritischer Dornen und korrespondieren mit dem aktuellen Kenntnisstand der zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen. / The majority of excitatory synapses in the cortex of mammalian brains is situated on dendritic spines, small protrusions, heterogeneous in size and shape. The induction of activity-dependent long-term synaptic plasticity has been associated with changes in the ultrastructure of spines, particularly in size, head shape and neck width. Since the dimensions of dendritic spines are at the border of the diffraction-limited resolving power of conventional light microscopes, until recently, electron microscopy on fixed tissue constituted the primary method for investigations on spine morphology. I have employed live cell stimulated emission depletion imaging to analyse spine motility and structural transitions in response to n-methyl-d-aspartate receptor dependent long-term potentiation over time at super-resolution in Cornu Ammonis area 1 pyramidal neurons of the hippocampus. Local induction of long-term potentiation via ultraviolet photolysis of caged glutamate facilitated a strong transient increase in the proportion of spines with curved heads and a subtle persistent growth in the amount of mushroom spines over a time course of 50 minutes. My findings reinforce previous investigations on the relation of synaptic potentiation and spine motility, and are in good agreement with the current knowledge of the molecular mechanisms underlying long-term plasticity.

This study involved the combination of molecular-cytogenetic data and phylogenetic approaches to infer pathways by which chromosome numbers and sizes may have changed during the course of evolution. The two systems for which I generated new data are the monocot plant family Araceae and Coccinia, a genus of Cucurbitaceae. Araceae have about 3800 species in 118 genera, and chromosome numbers range from 2n = 168 to 2n = 8, the latter the lowest number so far and newly reported in my study. The small genus Coccinia includes C. grandis, with the largest known Y chromosome in plants, as documented in my work. The thesis comprises four published or submitted papers. The first paper reports the result of phylogenetic modeling of chromosome number change along a phylogeny for the Araceae with 113 genera represented. I used a maximum likelihood approach to find the most likely combination of events explaining today’s chromosome numbers in the 113 genera. The permitted events were chromosome gains (i.e. breaks), losses (i.e. fusions), doubling (polyploidization), or fusion of gametes with different ploidy. The best-fitting model inferred an ancestral haploid number of 16 or 18, higher than previously suggested numbers, a large role for chromosome fusion, and a limited role of polyploidization. The sparse taxon sampling and deep age (at least 120 Ma) of the events near the root of Araceae caution against placing too much weight on “ancestral” numbers, but inferred events in more closely related species can be tested with cytogenetic methods, which I did in two further studies (papers 2 and 3). I selected Typhonium, with 50-60 species, a range of 2n = 8 to 2n = 65 chromosomes. The family-wide study had suggested a reduction from a = 14 to 13 by fusion in Typhonium, but had included relatively few of its species. I built a phylogeny that included 96 species and subspecies sequenced for a nuclear and two chloroplast markers, and then selected 10 species with 2n = 8 to 24 on which to perform fluorescence in situ hybridization (FISH) with three chromosomal probes (5S rDNA, 45S rDNA, and Arabidopsis-like telomeres; paper 2). The results supported chromosome fusion in two species where I found interstitially located telomere repeats (ITRs), which can be a signal of end-to-end fusions, and polyploidization in one species where I found multiple rDNA sites. I then extended my cytological work to other lineages of Araceae, selecting 14 species from 11 genera in key positions in the family phylogeny, which I enlarged to 174 species, adding new chromosome counts and FISH data for 14 species with 2n = 14 to 2n = 60 (paper 3). With the new data, I confirmed descending dysploidy as common in the Araceae, and I found no correlation between the number of rDNA sites and ploidy level (which would have pointed to recent polyploidy). I detected ITRs in three further species, all with 2n = 30. I also discovered gymnosperms-like massive repeat amplification in Anthurium. Similar ITRs are only known from Pinus species. Paper 4 presents molecular-cytogenetic data for Coccinia grandis, one of a handful of angiosperms with heteromorphic sex chromosomes. The male/female C-value difference in this species is 0.09 pg or 10% of the total genome. My FISH and GISH results revealed that the Y chromosome is heterochromatic, similar to the Y chromosomes of Rumex acetosa, but different from the euchromatic Y chromosome of Silene latifolia; it is more than 2x larger than the largest other chromosome in the genome, making C. grandis an ideal system for sequencing and studying the molecular steps of sex chromosome differentiation in plants.

Focusing at the fly visual system I am addressing the identity and function of neurons accomplishing two fundamental processing steps required for survival of most animals: neurons of peripheral circuits underlying colour vision as well neurons of higher order circuits underlying visual memory. Colour vision is commonly assumed to rely on photoreceptors tuned to narrow spectral ranges. In the ommatidium of Drosophila, the four types of so-called inner photoreceptors express different narrow-band opsins. In contrast, the outer photoreceptors have a broadband spectral sensitivity and are thought to exclusively mediate achromatic vision. Using computational models and behavioural experiments, I here demonstrate that the broadband outer photoreceptors contribute to colour vision in Drosophila. A model of opponent processing that includes the opsin of the outer photoreceptors scores the best fit to wavelength discrimination behaviour of flies. To experimentally uncover the contribution of individual photoreceptor types, I used blind flies with disrupted phototransduction (norpA-) and rescued norpA function in genetically targeted photoreceptors and receptor combinations. Surprisingly, dichromatic flies with only broadband photoreceptors and one additional receptor type can discriminate different colours, indicating the existence of a specific output comparison of outer and inner photoreceptors. Furthermore, blocking interneurons postsynaptic to the outer photoreceptors specifically impairs colour but not intensity discrimination. These findings show that outer receptors with a complex and broad spectral sensitivity do contribute to colour vision and reveal that chromatic and achromatic circuits in the fly share common photoreceptors. Higher brain areas integrate sensory input from different modalities including vision and associate these neural representations with good or bad experiences. It is unclear, however, how distinct sensory memories are processed in the Drosophila brain. Furthermore, the neural circuit underlying colour/intensity memory in Drosophila remained so far unknown. In order to address these questions, I established appetitive and aversive visual learning assays for Drosophila. These allow contrasting appetitive and aversive visual memories using neurogenetic methods for circuit analysis. Furthermore, the visual assays are similar to the widely used olfactory learning assays and share reinforcing stimuli (sugar reward and electric shock punishment), conditioning regimes and methods for memory assessment. Thus, a direct comparison of the cellular requirements for visual and olfactory memories becomes feasible. I found that the same subsets of dopamine neurons innervating the mushroom body are necessary and sufficient for formation of both sensory memories. Furthermore, expression of D1-like Dopamine Receptor (DopR) in the mushroom body is sufficient to restore the memory defect of a DopR null mutant (dumb-). These findings and the requirement of the mushroom body for visual memory in the used assay suggest that the mushroom body is a site of convergence, where representations of different sensory modalities may undergo associative modulation. / Mit Fokus auf das visuelle System von Fliegen behandle ich in meiner Dissertation die Identität und Funktion von Neuronen, welche zwei fundamentale Verarbeitungsschritte ausführen, die für das Überleben der meisten Tiere notwendig sind. Zum einen sind dies dem Farbensehen zugrunde liegende Neuronen und zum anderen solche, die essentiel für visuelles Gedächtnis sind. Allgemein wird angenommen, dass Farbensehen auf Photorezeptoren mit Sensitivitäten für schmale Spektralbereiche aufbaut. Im Ommatidium von Drosophila exprimieren die sogenannten inneren Photorezeptoren verschiedene spektral schmalbandige Opsine. Im Gegensatz dazu haben die äußeren Photorezeptoren eine breitbandige spektrale Sensitivität und man nimmt an, dass diese ausschließlich achromatisches Sehen ermöglichen. Mit Hilfe von computergestützten Modellen und Verhaltensexperimenten zeige ich hier, dass die breitbandigen äußeren Photorezeptoren zum Farbensehen in Drosophila beitragen. Ein Modell mit opponenter Verarbeitung von Photorezeptorsignalen, welches das Opsin der äußeren Photorezeptoren beinhaltet, passt am besten zum spektralen Unterscheidungsverhalten von Fliegen. Um experimentell den Beitrag der einzelnen Photorezeptortypen zu ermitteln verwendete ich blinde Fliegen mit einem Defekt in der Phototransduktion (norpA-) und rettete die norpA Funktion gezielt in einzelnen oder verschiedenen Kombinationen von Photorezeptortypen mit Hilfe des GAL4/UAS Genexpressionssystems. Erstaunlicherweise können dichromatische Fliegen mit nur äußeren Photorezeptoren und einem weiteren Rezeptortyp Farben unterscheiden, was auf die Existenz eines spezifischen Vergleichs der Signale von äußeren und inneren Photorezeptoren hindeutet. Außerdem beeinträchtigt der Block von Interneuronen, welche postsynaptisch von den äußeren Photorezeptoren sind, spezifisch das Farbensehen aber nicht die Intensitätsunterscheidung. Diese Ergebnisse zeigen zum einen, dass die äußeren Photorezeptoren mit einer komplexen und breitbandigen spektralen Sensitivität zum Farbensehen beitragen und zum anderen, dass chromatische und achromatische neuronale Netzwerke in der Fliege gemeinsame Photorezeptoren teilen. Höher geordnete Gehirnbereiche integrieren sensorische Information verschiedener Modalitäten insbesondere visueller Natur und assoziieren deren neuronale Representation mit guten und schlechten Erfahrungen. Es ist jedoch unklar, wie unterschiedliche sensorische Gedächtnisse im Gehirn von Drosophila verarbeitet werden. Außerdem ist das neuronale Netzwerk, welches Farb- und Intensitätsgedächtnis zugrunde liegt völlig unbekannt. Um diese Fragen zu beantworten etablierte ich appetitive und aversive Verhaltensassays für Drosophila. Diese erlauben die Gegenüberstellung von appetitivem und aversivem visuellen Gedächtnis unter Verwendung von neurogenetischen Methoden zur Netzwerkanalyse. Desweiteren sind die visuellen Verhaltensassays sehr ähnlich zu den verbreiteten olfaktorischen Lernsassays, da diese verstärkende Stimuli (Zuckerbelohnung und Elektroschockbestrafung), Konditionierungsablauf und Methoden zur Gedächtnismessung gemein haben. Dadurch wird ein direkter Vergleich der zellulären Grundlagen von visuellem und olfaktorischem Gedächtnis möglich. Ich fand, dass die gleichen Gruppen von Dopaminneuronen, welche den Pilzkörper innervieren, sowohl notwendig als auch ausreichend für die Bildung beider sensorischer Gedächtnisse sind. Außerdem ist die Expression des D1-ähnlichen Dopaminrezeptors (DopR) im Pilzkörper ausreichend um den Gedächtnisdefekt einer DopR Nullmutante (dumb-) zu retten. Diese Ergebnisse sowie die Notwendigkeit des Pilzkörpers für visuelles Gedächtnis in dem benutzen Assay deuten darauf hin, dass der Pilzkörper ein Konvergenzareal ist, in welchem Repräsentationen von verschiedenen sensorischen Modalitäten assoziativer Modulation unterliegen.

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