Pendant le développement d’un embryon, le remodelage des tissus amène un changement de forme: les tissu peuvent s’allonger, s’envaginer, s’étirer etc. Différentes voies de signalisation règlent ces comportements dans le temps et l’espace à travers le contrôle du cytosquelette d’actine et des tensions produites par ce dernier en interaction avec le moteur moléculaire Myosine-II.Quelle est la distribution des forces subcellulaires qui contrôlent la morphogenèse des tissus? Quelle est la nature des forces engendrée set pour finir, quelle est l’origine de ces forces? Voici les questions pour lesquelles ma thèse cherche des réponses. J’utilise l’élongation de la bande germinale de l’embryon de Drosophile comme système modèle afin d’investiguer la mécanique de la morphogenèse des tissus / During embryonic development tissue remodeling leads to shape changes: for example, tissues can elongate, invaginate, and stretch. Distinct signaling pathways regulate in space and time these behaviors through the control ofthe actin cytoskeleton and of myosin-based tension required for cell shapechange. What is the spatiotemporal pattern of subcellular forcesthat orient tissue morphogenesis? What is the nature of the generated forces and finally, what lies at the origin of such forces? These are the main questions that my thesis tries to illuminate. I use the germbandelongation of the Drosophila embryo as a model system to investigate themechanics of tissue morphogenesis

N-Cadherin, ein Mitglied der klassischen Cadherin Familie vermittelt durch homophile Bindungen der extrazellulären Domänen (EZD) zwischen benachbarten Zellen Zell-Zell-Kontakte. Im Nervensystem kontrolliert es zahlreiche Aufgaben wie beispielsweise die Ausbildung von Synapsen, die synaptische Plastizität, das Auswachsen von Axonen und deren richtungsgezielte Orientierung. In Untersuchungen zum Axonwachstum von cerebellären Körnerzellen konnte von Doherty et al. (1995, 1996) gezeigt werden, dass die isolierte EZDI-V von N-Cadherin über den FGFR-1 (Fibroblastenwachstumsfaktor-Rezeptor-1) ein richtungsvermitteltes Auswachsen von Axonen verursacht. Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein Bindungsmodell erstellt (Doherty et al., 1996). Dieses geht davon aus, dass zwischen transdimeren N-Cadherin-Molekülen, über die Aminosäuren IDPVNGQ der EZD Wechselwirkungen mit den Aminosäuren HAV der EZD von FGFR-1 auftreten (siehe hierzu Abb. 17). Der dadurch dimerisierte FGFR-1 bewirkt innerhalb der Nervenzelle eine intrazelluläre Signaltransduktion, die in einem zielgerichteten Axonwachstum resultiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, dieses Bindungsmodell näher zu untersuchen. Ausgehend von den für N-Cadherin und FGFR-1 kodierenden cDNAs und entsprechenden Vektorsystemen wurden in CHO-Zellen stabile Zelllinien erstellt. Das zugrundeliegende Expressionssystem führte zu einem Ausschleusen der für die Experimente notwendigen Fc-Fusionsproteine in den Kulturüberstand. Eine daran anschließende auf Protein A basierende Affinitätschromatographie des Kulturüberstandes ermöglichte die Isolierung und Anreicherung der Fc-Fusionsproteine. Desweiteren wurden Expressionsvektoren verwendet, die für subzelluläre Lokalisationsuntersuchungen verwendet wurden. Zu Beginn der Bindungsstudien wurde Untersuchungen zum Axonwachstum cerebellärer Körnerzellen durchgeführt. Diese dienten zum einen der Überprüfung der von Doherty und Walsh (1996) durchgeführten Experimente zum Längenwachstum cerebellärer Körnerzellen in Gegenwart ausgewählter Zelladhäsionsmoleküle (NCAM, L1 und N-Cadherin), zum anderen dienten sie der Überprüfung der Funktionalität der FGFR-1-und N-Cadherin-spezifischen Peptide (HAV und IDPVNGQ). Wie zu erwarten wurde durch Zugabe von N-Cadherin EZDI-V ein Axonlängenwachstum festgestellt, dass durch Zugabe der HAV- und IDPVNGQ-Peptide inhibiert wurde. Für den Auschluß der Wirkung von Fremdproteinen wurden in der vorliegenden Arbeit direkte Bindungsstudien durchgeführt. Hierzu wurden sowohl ELISA- als auch in Dot-Blot-Experimente durchgeführt. Diese ergaben eine Wechselwirkung der EZD von FGFR-1 und N-Cadherin. Eine von DsRed-FGFR-1 abhängige Lokalisation von GFP-N-Cadherin in CHO-Zellen deutete ebenfalls auf eine Interaktion hin. Nähere Bindungsstudien zeigten, dass die Bindungsmotive IDPVNGQ und HAV für eine Wechselwirkung der FGFR-1- und N-Cadherin-spezifischen EZDs bedeutungslos sind. Auch an der Laserpinzette durchgeführte Untersuchungen ergaben, das Wechselwirkungen zwischen N-Cadherin (auf Mikroperlen immobilisiert) und PC12-Zellen in Gegenwart der inhibierenden IDPVNGQ- und HAV-Peptide nicht verhindert werden konnten. Zusammenfasssend ist es gelungen zum ersten Mal eine direkte Wechselwirkung zwischen N-Cadherin und FGFR-1 nachzuweisen. Allerdings konnte in Kompetitionsexperimenten eine Bedeutung der postulierten Bindungsmotive nicht bestätigt werden. / N-cadherin, a member of the classic cadherin family, mediates intercellular contacts between neighbouring cells through homophile bonds. In the nervous system, it is involved in numerous functions, such as the formation of synapses, synaptic plasticity, the development of axons and their spatio-controlled orientation. In studies regarding axonal growth of cerebellar granule cells, Doherty et al., (1995, 1996) were able to demonstrate that the isolated extracellular domain I-V (ECDI-V) of N-cadherin together with FGFR-1 (Fibroblast Growth Factor Receptor-1) induces directional development of axons. Based on these observations, a bonding model was derived (Doherty et al., 1996), assuming that ECD-directed interactions with the HAV amino acids of the FGFR-1-ECD occur via the IDPVNGQ amino acids from the ECD of N-cadherin (see Fig. 17). Consequently, dimerized FGFR-1 induce intracellular signalling within the nerve cells, resulting in continuous axonal growth. The aim of this thesis was to examine the bonding model in more detail. In order to conduct studies of interactions between N-cadherin and FGFR-1 respective expression vectors were constructed and used to generate stable cell lines for protein production. Subsequent to expression and secretion of the fusion proteins into the supernatant, purification was performed by protein A-specific affinity chromatography. In addition expression vectors were generated suitable for investigating subcellular localization of N-cadherin-GFP in the presence /absence of FGFR-1-dsRed. Initial binding studies were conducted on cerebellar granule cells, firstly to confirm CAM-dependency of axonal growth as shown by Doherty and Walsh (1996) and secondly functionality of the inhibitory FGFR-1- and N-cadherin-specific peptides (HAV and IDPVNGQ) on N-cadherin binding activity. As expected, addition of N-cadherin EZDI-V to cerebellar granule cells resulted into axonal growth, whereas the presence of the inhibitory HAV- und IDPVNGQ-peptides reduced binding of N-cadherin EZDI-V to cerebellar granule cells significantly. To exclude unspecifity of protein interactions in such complex binding studies, protein-protein interactions were performed by either ELISA- and Dot-Blot-Assays. In both assays interaction between the ECD of N-cadherin and FGFR-1 was detected. FGFR-1-dsRed-dependent localization of N-cadherin-EGFP in CHO-cells additionally indicated interaction between both proteins. Detailed binding studies revealed no effect of the inhibitory binding peptides HAV und IDPVNGQ on the ECD-interaction of N-cadherin and FGFR-1. Supporting these results was the observation, that in laser tweezer experiments binding of N-cadherin EZDI-V (immobilized onto microbeads) to cultured PC-12 cells could not be prevented by the inhibitory binding peptides HAV und IDPVNGQ. In conclusion, this thesis demonstrates for the first time binding of the ECD of N-cadherin to that of FGFR-1. However, the significance of the binding motives HAV und IDPVNGQ for N-cadherin/FGFR- interaction could not be confirmed in competition experiments and remains questionable.

Ca2+ dependent cell adhesion molecules (cadherins) are central for a variety of cell and tissue functions such as morphogenesis, epithelial and endothelial barrier formation, synaptic function and cellular signaling. Of paramount importance for cadherin function is their specific extracellular adhesive trans-interaction. Cadherins are embedded in a cellular environment of intracellular and extracellular regulators that modify cadherin binding in response to various physiological and pathological stimuli. Most experimental approaches used for studying cadherin interaction however lack a physiological proof of principle mostly by not investigating cadherins in their physiological environment. In the present cumulative dissertation, experimental approaches were applied to characterize and modulate vascular endothelial (VE)-cadherin and desmocadherin functions in the (patho-)physiological contexts of endothelial permeability regulation and disturbance of epidermal barrier function, which is typical to the blistering skin disease pemphigus, respectively. Whereas VE-cadherin is a key regulator of the endothelial barrier that separates the blood compartment from the interstitial space of tissues, desmosomal cadherins are crucial for maintenance of epidermal integrity and separation of the external environment from the body’s internal milieu. Cadherin functions were both investigated in cell-free and cell-based conditions: by using biophysical single molecule techniques like atomic force microscopy (AFM), cadherin function could be investigated in conditions, where contributions of intracellular signaling were excluded. These experiments were, however, compared and combined with cell-based experiments in which cadherins of epidermal or endothelial cell cultures were probed by laser force microscopy (laser tweezers), fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) and other techniques. The autoimmune blistering skin diseases pemphigus foliaceus (PF) and pemphigus vulgaris (PV) are caused by autoantibodies directed against the extracellular domains of the desmosomal cadherins desmoglein (Dsg) 1 and 3, which are important for epidermal adhesion. The mechanism of autoantibody-induced cell dissociation (acantholysis) in pemphigus, however, is still not fully understood. For the first time, it is shown by AFM force spectroscopy that pemphigus autoantibodies directly inhibit Dsg3 adhesion by steric hindrance but do not inhibit adhesion of Dsg1. However, the full pathogenicity of the autoantibodies depended on cellular signaling processes, since autoantibodies targeting Dsg1 also resulted in loss of cadherin-mediated adhesion in cell-based experiments. However, two other signaling pathways that have been reported to be involved in pemphigus pathogenesis, i.e. epidermal growth factor receptor (EGFR) and c-Src activation, were not found to be important in this context. Furthermore, peptide-based modulators of cadherin functions were generated for Dsg1/3 and VE-cadherin. By comparing Dsg1, Dsg3 and VE-cadherin sequences to published X-ray structures of cadherin trans-interactions, specific amino acid sequences of the binding pockets of these cadherins were identified. Peptide versions of these motifs were synthesized and the antagonistic functions of these “single peptides” were validated by AFM force spectroscopy as well as by cell-based assays. By linking two single peptides in tandem, stabilization of cadherin bonds because of by cross-bridge formation between trans-interacting cadherins was demonstrated. Protective effects of tandem peptides were shown by partly preventing pemphigus autoantibody-induced acantholysis, or in the case of VE-cadherin, by stabilizing endothelial barrier properties against barrier disrupting agents like the Ca2+ ionophore A23187 and an inhibitory VE-cadherin antibody. Most importantly, VE-cadherin tandem peptides abolished microvascular hyperpermeability induced by the physiologic inflammatory agent tumor necrosis factor-α in the rat mesentery in vivo. Both classes of tandem peptides therefore can be considered as a starting point for the generation of potential therapeutic agents that might prevent cell dissociation in pemphigus and breakdown of the endothelial barrier under inflammatory conditions. / Die Familie der Ca2+ - abhängigen Adhäsionsproteine (Cadherine) spielt eine zentrale Rolle bei elementaren zellulären, geweblichen und Entwicklungsprozessen. Eine in der vorliegenden kumulativen Dissertation untersuchte Funktion von Cadherinen ist ihre Rolle beim Aufbau und der Aufrechterhaltung der epidermalen Barriere der Haut und der endothelialen Barriere von Blutgefäßen. Cadherine vermitteln Adhäsion über die extrazelluläre Bindung mit Cadherinen auf der Zelloberfläche angrenzender Zellen. Die durch Cadherine vermittelte Zelladhäsion ist ein dynamischer Prozess, der durch extrazelluläre und intrazelluläre Modulatoren im Zusammenspiel mit vielfältigen physiologischen Prozessen reguliert wird. Vielen Experimentalsystemen fehlt der realistische physiologische und gewebliche Bezug zur funktionellen Bedeutung der untersuchten Eigenschaften der Cadherine. In der vorliegenden kumulativen Dissertation wurden verschiedene Ansätze zur Untersuchung und Modulation von Cadherinen im Hinblick zweier (patho-)physiologischer Prozesse durchgeführt. Zum einen befasst sich die Doktorarbeit mit den Blasen-bildenden Hauterkrankungen der Pemphigus-Gruppe, bei welcher die Funktionsstörung desmosomaler Cadherine im Mittelpunkt steht. Zum anderen wurde das vaskuläre endotheliale (VE)-Cadherin und dessen Rolle bei der Regulation und pathologischen Entgleisung der Gefäßpermeabilität untersucht. Die Funktion dieser Cadherine wurde in der Arbeit sowohl in Zell-freien als auch in Zell-basierten Experimenten analysiert: mittels biophysikalischer Charakterisierung auf Einzelmolekülebene durch Kraftspektroskopie mit dem Atomkraftmikroskop (AFM) konnte die Adhäsion (Transinteraktion) von Cadherinen frei von zellulären Einflüssen isoliert untersucht werden. Diese Einzelmolekülstudien wurden durch Laserkraftmikroskopie (Laserpinzette) und verschiedene zellphysiologische Untersuchungen an epithelialen und endothelialen Zellkulturen und Geweben komplettiert. Bei der autoimmunen Hauterkrankung Pemphigus foliaceus (PF) und Pemphigus vulgaris (PV) bewirken Autoantikörper, die gegen die desmosomale Cadherine Desmoglein (Dsg) 1 und 3 gerichtet sind, eine Zelldissoziation (Akantholyse), die zu einer charakteristischen Blasenbildung auf der Haut der Patienten teils mit Ablösung der Epidermis führt. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe der AFM-Kraftspektroskopie zum ersten Mal gezeigt, dass Pemphigus-Autoantikörper direkt die Dsg3-vermittelte Adhäsion durch sterische Behinderung inhibieren. Zusätzlich wurden auch Unterschiede in der Pathogenität der Autoantikörper in Abhängigkeit von zellulären Signalwegen gefunden. In früheren Studien konnte bereits gezeigt werden, dass neben der vermuteten Hemmung der Cadherinbindung durch die Autoantikörper auch inhibitorische, die Zelladhäsion herabsetzende zytoplasmatische Signalwege für die Pathogenese dieser Krankheit wichtig sind. Daneben belegen Experimente dieser Arbeit, dass die durch Autoantikörper vermittelte Akantholyse in unseren Versuchsbedingungen unabhängig von der in anderen Studien postulierten Beteilung des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) und von c-Src war. In weiteren Experimenten wurden Peptide zur Modulation der Funktion von Dsg1/3 und VE-Cadherin entwickelt. Dazu wurden die Sequenzen von Dsg1, Dsg3 und VE-Cadherin mit bereits beschriebenen Röntgenkristallstrukturen von anderen Cadherinen verglichen und eigene Strukturmodelle auf der Grundlage einer Analogiemodellierung generiert. Auf diese Weise wurden Sequenzabschnitte identifiziert, die für die Cadherin-Transinteraktion wichtig sind. Aus diesen Sequenzen wurden Peptide abgeleitet, die die Cadherinfunktion entweder in einer agonistischen oder antagonistischen Weise beeinflussen sollten. Die inhibitorische Funktion der Einzelpeptide wurde sowohl durch AFM-Kraftspektroskopie als auch in Zell-basierten Laserpinzetten-Studien validiert. Durch das Zusammenfügen von zwei separaten Einzelpeptidsequenzen wurden Tandempeptide erzeugt. Diese sollten die jeweilige Cadherininteraktion durch das Überbrücken benachbarter adhäsiver Cadherindomänen stabilisieren. Das Dsg-spezifische Tandempeptid verhinderte teilweise die durch Autoantikörper hervorgerufene Akantholyse beim Pemphigus und das VE-Cadherin-spezifische Tandempeptid schützte die Endothelbarriere vor Permeabilitätserhöhung durch das Ca2+ - Ionophor A23187 oder durch einen inhibitorischen VE-Cadherin-Antikörper. In in-vivo-Experimenten an perfundierten Mikrogefäßen des Rattenmesenteriums verhinderte das VE-Cadherin-Tandempeptid den Anstieg der Endothelpermeabilität durch den physiologischen Entzündungsmediator Tumornekrosefaktor-α. Die Tandempeptide können als Ausgangspunkt für die Identifikation von spezifischen therapeutischen Agenzien zur Prävention der Akantholyse beim Pemphigus oder Verlust der VE-Cadherin-Bindung bei vaskulärer Hyperpermeabilität angesehen werden.

Cadherin-13 (CDH13) is an atypical member of the cadherin superfamily, a group of membrane proteins mediating calcium-dependent cellular adhesion. Although CDH13 shows the classical extracellular cadherin structure, the typical transmembrane and cytoplasmic domains are absent. Instead, CDH13 is attached to the cell membrane via a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor. These findings and many studies from different fields suggest that CDH13 also plays a role as a cellular receptor. Interestingly, many genome-wide association studies (GWAS) have found CDH13 as a risk gene for attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) and other neurodevelopmental disorders. In previous work from our research group, strong expression of Cdh13 mRNA in interneurons of the hippocampal stratum oriens (SO) was detected. Therefore, double-immunofluorescence studies were used to evaluate the degree of co-expression of CDH13 with seven markers of GABAergic interneuron subtypes. For this purpose, murine brains were double stained against CDH13 and the respective marker and the degree of colocalization in the SO of the hippocampus was assessed. Based on the result of this immunofluorescence study, quantitative differences in interneuron subtypes of the SO between Cdh13 knockout (ko), heterozygote (het) and wildtype (wt) mice were investigated in this dissertation using stereological methods. In addition, genotype- dependent differences in the expression of genes involved in GABAergic and glutamatergic neurotransmission were analyzed by quantitative real-time PCR (qRT-PCR). Primers targeting different GABA receptor subunits, vesicular GABA and glutamate transporter, GABA synthesizing enzymes and their interaction partners were used for this purpose. The results of the stereological quantification of the interneuron subtypes show no significant differences in cell number, cell density or volume of the SO between Cdh13 ko, het and wt mice. On the other hand, qRT-PCR results indicate significant differences in the expression of tropomyosin-related kinase B gene (TrkB), which encodes the receptor of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a regulator of GABAergic neurons. This finding supports a role for CDH13 in the regulation of BDNF signaling in the hippocampus. / Cadherine sind eine große Gruppe von calciumabhängigen Typ-1 Transmembranproteinen, die an der Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten beteiligt sind. Cadherin-13 (CDH13) ist ein atypisches Mitglied dieser Proteinfamilie. Obwohl es die gleiche extrazelluläre Struktur wie klassische Cadherine besitzt, fehlen sowohl die cytoplasmatische als auch die Transmembrandomäne. Stattdessen ist CDH13 über einen GPI-Anker an der zellulären Plasmamembran befestigt. Diese Ergebnisse und viele andere Studien aus unterschiedlichen Bereichen lassen vermuten, dass CDH13 auch als zellulärer Rezeptor wirkt. Interessanterweise ergaben verschiedene genomweite Assoziationsstudien, dass CDH13 ein vielversprechendes Kandidatengen für das Auftreten von Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) und anderen Störungen der neuronalen Entwicklung ist. In früheren Studien unserer Arbeitsgruppe wurde eine starke Expression von Cd13 mRNA in Interneuronen des stratum oriens (SO) des Hippocampus festgestellt. Daher wurde mit Hilfe von Immunfluoreszenz der Grad der Koexpression von CDH13 mit 7 verschiedenen Markern von Subtypen GABAerger Interneuronen ermittelt. Zu diesem Zweck wurden Doppelfärbungen gegen CDH13 und den jeweiligen Marker durchgeführt und anschließend der Grad der Kolokalisation im SO des Hippocampus berechnet. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden in dieser Dissertation quantitative Unterschiede zwischen verschiedenen Subtypen von Interneuronen in Cdh13 knockout (ko), heterozygoten (het) und Wildtyp (wt)-Mäusen mit Hilfe von stereologischen Methoden ermittelt. Darüber hinaus wurden genotypabhängige Unterschiede in der GABAergen und glutamatergen Neurotransmission mit quantitativer Echtzeit-PCR (qRT-PCR) evaluiert. Hierzu wurden Primer eingesetzt, die sowohl auf Untereinheiten des GABA Rezeptors, GABA-synthetisierende Enzyme als auch auf GABA- und Glutamat-Transporter innerhalb synaptischer Vesikel abzielen. In der stereologischen Quantifizierung der Interneuron-Subtypen wurden keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Zellzahl, der Zelldichte oder des Volumens des SO zwischen den verschieden Genotypen gefunden. Im Gegensatz dazu zeigten sich in der qRT-PCR signifikante Unterschiede in der Expression von tropomyosin-related kinase B (TrkB), einem Gen, das für den Rezeptor des brain-derived neurotrophic factor (BDNF) kodiert. Bei diesem handelt es sich um einen Regulator von GABAergen Neuronen. Diese Ergebnisse bekräftigen, dass CDH13 an der Regulation des BDNF-Signalwegs im Hippocampus teilnimmt.

Regensburg, Univ., Diss., 2005.

Protocadherine (Pcdh) sind im zentralen Nervensystem (ZNS) stark exprimiert und üben vielfältige Funktionen bei der neuronalen Entwicklung aus. Der Knockout eines Vertreters der Pcdhs, PcdhgC3, führt zu Veränderungen in tight junction Proteinleveln in mikrovaskulären Endothelzellen der Blut-Hirn-Schranke (BBB). In dieser Arbeit untersuche ich die Rolle des PcdhgC3 Knockouts (KO) in Transportern der Blut-Hirn-Schranke sowie dessen Auswirkungen auf die Signaltransduktion mittels Serumreduktion, Zellmigrationsversuchen, Signalweg-Inhibierung und Sauerstoff-Glucose-Entzug. Der PcdhgC3 Knockout resultiert in veränderten Proteinleveln der BBB Transporter und könnte ein vielversprechendes Therapieziel zukünftiger Pharmakotherapie sein. Ebenso führt die Serumreduktion in den KO-Zellen zu höheren Leveln von Signalkinasen (Erk). Die Knockout-Zelllinie zeigt signifikant schnellere Migrationsraten und scheint durch Signalweg-Inhibitoren (mTOR, MAPK, wnt-Inhibitoren) stärker im Wachstum reduziert zu sein. So könnte PcdhgC3 eine Rolle bei der Regulierung von Signalwegen spielen und zu einer veränderten Integrität der Blut-Hirn-Schranke beitragen. / Protocadherins (Pcdh) are highly expressed in the central nervous system (CNS) and play multiple roles in neuronal development. Knockout of one member of the Pcdh family, PcdhgC3, resulted in changes of tight junction proteins in microvascular endothelial cells of the blood-brain-barrier (BBB). Here I characterize the role of PcdhgC3 knockout (KO) in BBB transporters and its impact on signal transduction using serum starvation, wound healing assays, inhibition of signalling pathways and oxygen glucose deprivation (OGD) tests. PcdhgC3 Knockout resulted in changes in BBB transporter protein levels and might be a promising target for future drug therapy. Serum starvation led to higher levels of signal regulated kinases (Erk) in Knockout cells. KO cells show significant faster migration rates in wound healing assays and are inhibited by signalling pathway inhibitors (mTOR, MAPK, wnt inhibitors) suggesting that PcdhgC3 may play a role in the regulation of signalling pathways and changes of the BBB integrity.

Abstract Background: Attention-deficit/ hyperactivity disorder (ADHD) ranges among the most common neurodevelopmental disorders worldwide with a prevalence of 3-12% in childhood and 1-5% for adults. Over the last decade extensive genetic research has been conducted in order to determine its causative genetic factors. None of the so far identified susceptibility genes, however, could explain the estimated ADHD heritability of 76%. In this thesis one of the most promising candidates -Cadherin 13 (Cdh13) - was examined in terms of its influence on the central serotonergic (5-HT) system. In addition to that, the Cdh13 protein distribution pattern was analysed over time. Methods: The developing serotonergic system was compared over three embryonic and postnatal stages (E13.5, E17.5 and P7) in different Cdh13 genotypes (WT, HZ and KO) using immunohistochemistry and various double staining protocols. Results: The raphe nuclei of the 5-HT system develop in spite of Cdh13 absence and show a comparable mature constellation. The cells in the KO, however, are slightly more scattered than in the WT. Furthermore the dynamics of their formation is altered, with a transient delay in migration at E13.5. In early developmental stages the total amount of serotonergic cells is reduced in KO and HZ, though their proportional distribution to the raphe nuclei stays constant. Strikingly, at P7 the absolute numbers are comparable again. Concerning the Cdh13 protein, it shows high concentrations on fibres running through hindbrain and midbrain areas at E13.5. This, however, changes over time, and it becomes more evenly spread until P7. Furthermore, its presence in serotonergic cells could be visualised using confocal microscopy. Since the described pattern is only in parts congruent to the localisation of serotonergic neurons, it is most likely that Cdh13 is present in other developing neurotransmitter systems, such as the dopaminergic one, as well. Conclusion: It could be proven that Cdh13 is expressed in serotonergic cells and that its knockout does affect the developing serotonergic system to some degree. Its absence, however, only slightly and transiently affects the measured parameters of serotonergic system development, indicating a possible compensation of CDH13 function by other molecules in the case of Cdh13 deficiency. In addition further indicators could be found for an influence of Cdh13 on outgrowth and path finding of neuronal processes. / Zusammenfassung Hintergrund: Das Aufmerksamkeits-Defizit/ Hyperaktivitäts-Syndrom (ADHS) gehört zu den häufigsten psychiatrischen Erkrankungen weltweit und betrifft 3- 12% aller Kinder und 1-5% der Erwachsenen. In den letzten Jahren wurde eine große Anzahl verschiedener genetischer Studien durchgeführt, um die zugrunde liegenden genetischen Ursachen genauer zu bestimmen. Von den vielen hundert bis dato gefundenen Kandidatengenen erreichte jedoch keines eine ausreichende statistische Signifikanz. Diese Arbeit befasst sich mit Cadherin 13, einem der vielversprechendsten Kandidatengene, und untersucht einen möglichen Zusammenhang mit der Entwicklung des serotonergen Systems. Zusätzlich wird das Cdh13 Verteilungsmuster im ZNS über die Zeit analysiert. Methoden: Es wurden embryonale und postnatale Entwicklungsstadien des serotonergen Systems (E13.5, E17.5 und P7) in drei Cdh13 Genotypen mit (WT, HZ, KO) verglichen. Dabei kamen Methoden der Immunhistochemie und diverse Doppelfärbungsprotokolle zum Einsatz. Ergebnisse: Die Raphe Kerne des serotonergen Systems entwickeln sich trotz fehlendem Cdh13 und zeigen im ausgereiften Zustand eine ähnliche Morphologie in allen Genotypen. Allerdings liegen die Neurone der Raphe Kerne im KO etwas weiter verstreut. Zudem hat es den Anschein als wäre die Dynamik ihrer Entwicklung beeinträchtigt. So liegt beispielsweise um E13.5 der KO im Vergleich zum WT vorübergehend etwas zurück. Außerdem weisen die frühen Entwicklungsstadien im KO und HZ deutlich reduzierte Zellzahlen auf, wobei deren anteilmäßige Verteilung zu den einzelnen Raphe Kernen zwischen den Genotypen unverändert ist. Überraschenderweise finden sich in P7 wieder vergleichbare Zellzahlen. Was die Verteilung von Cdh13 betrifft, so liegt es ab E13.5 vor allem auf Fasern von Hirnstamm und Mittelhirn in hohen Konzentrationen vor. Im Laufe der Entwicklung verliert Cdh13 diese begrenzte Lokalisation und zeigt sich homogen in weiten Teilen des ZNS verteilt. Da sein Verteilungsmuster nur teilweise Ähnlichkeiten mit dem 5-HT System aufweist, muss davon ausgegangen werden, dass es noch in anderen Neurotransmittersystemen wie etwa dem dopaminergen System eine Rolle spielt. Schlussfolgerung: Es ist gezeigt worden, dass Cdh13 in serotonergen Zellen exprimiert wird und seine Abwesenheit Einfluss auf die Entwicklung des serotonergen Systems nimmt. Angesichts seiner geringen Auswirkungen lässt sich allerdings vermuten, dass sein Fehlen teilweise von anderen Molekülen kompensiert wird. Darüber hinaus sind weitere Hinweise darauf gefunden worden, dass Cdh13 eine Rolle bei der Lenkung auswachsender neuronaler Fortsätze spielt.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Pemphigus vulgaris (PV) ist eine blasenbildende Autoimmunerkrankung der Haut. Ein wesentliches Charakteristikum der Erkrankung sind Autoantikörper, welche gegen die humanen Zell-Adhäsionsmoleküle Desmoglein (Dsg) 3 und 1 gerichtet sind und zu zunehmender Zell-Dissoziation der Keratinozyten führen (Akantholyse). Neben der Dsg3-Reorganisation sind zytoskelettale Veränderungen in Form einer ZK-Retraktion und einer Reorganisation des Actin-Zytoskeletts als ein wichtiges Merkmal akantholytischer Zellen beschrieben worden. Dennoch ist der zeitliche Verlauf und die funktionelle Relevanz dieser zytoskelettalen Veränderungen im Vergleich zu anderen Prozessen, wie der Dsg3-Reorganisation oder der Zell-Dissoziation, unklar. In dieser Arbeit wurde daher die Rolle der ZK-Filamente und der Actinfilamente für die PV-Pathogenese untersucht. Inkubation von kultivierten Keratinozyten mit PV-IgG resultierte in einer ZK-Retraktion, welche eng mit dem Beginn der Dsg3-Reorganisation und der Zell-Dissoziation korrelierte. Weiterhin fand sich eine Abhängigkeit der PV-IgG-induzierten ZK-Retraktion und der Zell-Dissoziation von der p38MAPK-Signalkaskade, während die Beteiligung der p38MAPK an der Dsg3-Reorganisation von untergeordneter Rolle zu sein scheint. Übereinstimmend dazu führte eine Überexpression von E-Cadherin zu einer Hemmung der p38MAPK-Aktivierung, der ZK-Retraktion und der Zell-Dissoziation, so dass den Cadherinen eine übergeordnete Rolle in der Vermittlung der PV-Pathogenese zuzukommen scheint. Neben einer ZK-Retraktion zeigten die Zellen als Reaktion auf eine Inkubation mit PV-IgG auch wesentliche Reorganisationen der Actinfilamente, welche ebenfalls eng mit der Dsg3-Reorganisation und der Zell-Dissoziation korrelierten. Darüber hinaus interferierte die pharmakologische Modulation des Actin-Zytoskeletts mit den PV-IgG-Effekten. So führte eine Stabilisierung der Actinfilamente zu einer Reduktion sowohl der Dsg3-Reorganisation als auch der Zell-Dissoziation, während eine Zerstörung der Filamente die Effekte verstärkte. Zur Unterstützung dieser Ergebnisse wurde die Rolle des Actins für die durch Rho-GTPasen vermittelte Hemmung von PV-IgG-Effekten untersucht. Eine Aktivierung der Rho-GTPasen führte neben einer Hemmung PV-IgG-vermittelter Effekte auch zu einer Verstärkung des kortikalen Actin-Rings, während eine Hemmung der Actin-Polymerisation die protektiven Effekte der Rho-GTPasen-Aktivierung aufheben konnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit eine übergeordnete Rolle sowohl der desmosomalen als auch der klassischen Cadherine für die PV-Pathogenese zeigen. Daneben scheint auch der Actin-Reorganisation eine wesentliche Position zuzukommen. Die ZK-Retraktion hingegen scheint, zumindest im Bezug auf die Dsg3-Reorganisation, sekundär zu sein, trägt aber möglicherweise im Anschluss an eine p38MAPK-Aktivierung wesentlich zum Verlust der Zell-Zell-Adhäsion bei. / In human autoimmune blistering skin disease pemphigus vulgaris (PV) autoantibodies are mainly directed against keratinocyte cell adhesion molecules desmoglein (Dsg) 3 and 1 and cause keratinocyte cell dissociation (acantholysis). Early ultrastructural work revealed cytokeratin (CK) retraction to be a characteristic hallmark of acantholytic keratinocytes and recent studies reported profound alterations of the actin cytoskeleton. Nevertheless, the temporal sequence and relevance of these cytoskeletal phenomena in pemphigus pathogenesis compared to other events such as Dsg3 reorganisation or keratinocyte dissociation are only poorly understood. We examined roles of CK and actin filaments in PV-IgG-mediated keratinocyte dissociation. Incubation of cells with PV-IgG resulted in a CK retraction which closely correlated with the onset of cell dissociation and Dsg3 reorganisation. Both, PV-IgG-induced CK retraction and cell dissociation were found to be p38MAPK-dependent whereas the contribution of p38MAPK activation for Dsg3 reorganisation seemed to be secondary. According to this, overexpression of E-cadherin prevented PV-IgG-induced p38MAPK activation, cell dissociation and CK retraction. Therefore cadherins seem to have a primary role for PV pathogenesis. Parallel to CK retraction, PV-IgG treatment resulted in striking changes in actin cytoskeleton organization which also closely correlated with cell dissociation and Dsg3 reorganisation.Therefore, we investigated whether pharmacologic manipulation of actin polymerization modulates pathogenic effects of PV-IgG. Pharmacological stabilization of actin filaments significantly blocked cell dissociation and Dsg3 fragmentation whereas actin depolymerisation strongly enhanced pathogenic effects of PV-IgG. To substantiate these findings, we studied whether the protective effects of Rho GTPases, which are potent regulators of the actin cytoskeleton and were shown to be involved in pemphigus pathogenesis, were dependent on modulation of actin dynamics. Activation of Rho-GTPases enhanced the cortical junction-associated actin belt and blunted PV-IgG-induced cell dissociation. However, when actin polymerization was blocked under these conditions the protective effects of Rho-GTPase activation were abrogated. Taken together, these experiments indicate a primary role of both desmosomal and classical cadherins for PV pathogenesis. Furthermore actin reorganization seems to be critical for PV-IgG-induced acantholysis. CK retraction may contribute to p38MAPK-dependent keratinocyte dissociation in pemphigus but appears to be secondary, at least to Dsg3 reorganisation.

Neurodevelopmental disorders, including attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) and autism spectrum disorder (ASD) are disorders of mostly unknown etiopathogenesis, for which both genetic and environmental influences are expected to contribute to the phenotype observed in patients. Changes at all levels of brain function, from network connectivity between brain areas, over neuronal survival, synaptic connectivity and axonal growth, down to molecular changes and epigenetic modifications are suspected to play a key roles in these diseases, resulting in life-long behavioural changes. Genome-wide association as well as copy-number variation studies have linked cadherin-13 (CDH13) as a novel genetic risk factor to neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders. CDH13 is highly expressed during embryonic brain development, as well as in the adult brain, where it is present in regions including the hippocampus, striatum and thalamus (among others) and is upregulated in response to chronic stress exposure. It is however unclear how CDH13 interacts with environmentally relevant cues, including stressful triggers, in the formation of long-lasting behavioural and molecular changes. It is currently unknown how the environment influences CDH13 and which long term changes in behaviour and gene expression are caused by their interaction. This work therefore investigates the interaction between CDH13 deficiency and neonatal maternal separation (MS) in mice with the aim to elucidate the function of CDH13 and its role in the response to early-life stress (ELS). For this purpose, mixed litters of wild-type (Cdh13+/+), heterozygous (Cdh13+/-) and homozygous knockout (Cdh13-/-) mice were maternally separated from postnatal day 1 (PN1) to postnatal day 14 (PN14) for 3 hours each day (180MS; PN1-PN14). In a first series of experiments, these mice were subjected to a battery of behavioural tests starting at 8 weeks of age in order to assess motor activity, memory functions as well as measures of anxiety. Subsequently, expression of RNA in various brain regions was measured using quantitativ real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR). A second cohort of mice was exposed to the same MS procedure, but was not behaviourally tested, to assess molecular changes in hippocampus using RNA sequencing. Behavioural analysis revealed that MS had an overall anxiolytic-like effect, with mice after MS spending more time in the open arms of the elevated-plus-maze (EPM) and the light compartment in the light-dark box (LDB). As a notable exception, Cdh13-/- mice did not show an increase of time spent in the light compartment after MS compared to Cdh13+/+ and Cdh13+/- MS mice. During the Barnes-maze learning task, mice of most groups showed a similar ability in learning the location of the escape hole, both in terms of primary latency and primary errors. Cdh13-/- control (CTRL) mice however committed more primary errors than Cdh13-/- MS mice. In the contextual fear conditioning (cFC) test, Cdh13-/- mice showed more freezing responses during the extinction recall, indicating a reduced extinction of fear memory. In the step-down test, an impulsivity task, Cdh13-/- mice had a tendency to wait longer before stepping down from the platform, indicative of more hesitant behaviour. In the same animals, qRT-PCR of several brain areas revealed changes in the GABAergic and glutamatergic systems, while also highlighting changes in the gatekeeper enzyme Glykogensynthase-Kinase 3 (Gsk3a), both in relation to Cdh13 deficiency and MS. Results from the RNA sequencing study and subsequent gene-set enrichment analysis revealed changes in adhesion and developmental genes due to Cdh13 deficiency, while also highlighting a strong link between CDH13 and endoplasmatic reticulum function. In addition, some results suggest that MS increased pro-survival pathways, while a gene x environment analysis showed alterations in apoptotic pathways and migration, as well as immune factors and membrane metabolism. An analysis of the overlap between gene and environment, as well as their interaction, highlighted an effect on cell adhesion factors, underscoring their importance for adaptation to the environment. Overall, the stress model resulted in increased stress resilience in Cdh13+/+ and Cdh13+/- mice, a change absent in Cdh13-/- mice, suggesting a role of CDH13 during programming and adaptation to early-life experiences, that can results in long-lasting consequences on brain functions and associated behaviours. These changes were also visible in the RNA sequencing, where key pathways for cell-cell adhesion, neuronal survival and cell-stress adaptation were altered. In conclusion, these findings further highlight the role of CDH13 during brain development, while also shedding light on its function in the adaptation and response during (early life) environmental challenges. / Neuronale Entwicklungsstörungen (NES), wie Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) oder Autismus Spektrums Störung (ASS), haben eine größtenteils unbekannte Krankheitsentwicklung, deren klinisches Erscheinungsbild bei dem Patienten durch die individuelle Genetik und Umwelt beieinflusst wird. Veränderungen in allen funktionellen Ebenen des Gehirns, von Netzwerkaktivität zwischen unterschiedlichen Gehirnregionen, über synaptischer Verschaltung, axonalem Wachstum und den Überlebenschancen einzelner Neuronen, bis hin zu molekularen und epigenetischen Modifikationen werden als Schlüsselrollen in NES betrachtet, welche schlussendlich zu langfristigen Verhaltensauffälligkeiten führen. Genome-weite-Assoziations und genomische Kopiezahlvariations Studien haben Cadherin 13 (CDH13) als neuartiges Risikogen für neuropsychiatrische und neuronale Entwicklungsstörungen identifizieren können. CDH13 wird sowohl während der embryonalen Entwicklung, als auch im adulten Gehirn, stark exprimiert und kann dort in Regionen wie dem Hippocampus, Striatum und Thalamus gefunden werden. Darüber hinaus wird es als Reaktion auf akuten (physiologischen und psychologischen) Stress exprimiert. Gegenwärtig ist jedoch nicht bekannt, wie Umwelteinflüsse mit CDH13 interagieren und langanhaltende Veränderungen im Verhalten und der Gene Expression im Gehirn herbeiführen. Die vorliegende Arbeit untersucht daher die Interaktion zwischen CDH13 und Stress während eines frühen Lebensabschnitts. Hierfür wurden Würfe mit wildtyp (Cdh13+/+), heterozygoten (Cdh13+/-) und homozygoten knockout (Cdh13-/-) Mäusen zwischen dem ersten und vierzehnten Tag nach der Geburt für jeweils 3 Stunden von ihren Müttern getrennt (englisch: maternal separation, MS). In einem ersten Experiment wurden diese Mäuse dann im Alter von 8 Wochen in einer Reihe von Verhaltensversuchen auf ihre motorischen Fähigkeiten und Gedächtnisleistung getestet. Im Anschluss daran wurde mittels der quantitativen Polymerase Kettenreaktion (qPCR) verschiedene Gehirnregionen dieser Tiere auf Expressionsunterschiede in Faktoren für Neurotransmittersysteme, Neurogenese und DNA Methylierungsmechanismen hin analysiert. Das Hippocampus-Gewebe einer zweiten gleich aufgebauten Versuchsgruppe wurde mittels RNA Sequenzierung untersucht. Die Verhaltensanalyse zeigt das MS einen überwiegend angst-lindernden Einfluss auf die Mäuse hatte. Im Vergleich zu Mäusen ohne MS verbrachten MS-Mäuse mehr Zeit auf dem offenen Arm eines erhöhten Plus-Labyrinths, so wie in der hell-erleuchteten Seite einer Hell-Dunkel Box (HDB). Eine auffallende Ausnahme stellten jedoch die Cdh13-/- Mäuse dar, welche in der HDB keinen Zeitanstieg wie ihre Cdh13+/+ und Cdh13+/- MS Geschwister auf der hell-erleuchteten Seite aufwiesen. In dem Barnes Labyrinth (einem Test für räumliches Lernen) zeigte sich, dass alle Tiere, gemessen an den Fehlern und der Zeit die sie brauchten bis sie den Ausgang fanden, zunächst ähnliche Lernerfolge hatten. Im zweiten Teil des Experiments, in dem der Ausgang auf eine neue Position gelegt wurde, begangen Cdh13-/- Mäuse ohne MS hingegen mehr Fehler als Cdh13-/- MS Mäusee. In der Kontext-Angst-Konditionierung (KAK) zeigten männliche Cdh13-/- Mäuse mehr Angst-Starre während der Extinktions-Wiederholung; ein Befund der eine reduzierte Angst-Auslöschung impliziert. Im Abstiegs-Test, einem Impulsivitätstest, blieben Cdh13-/- Mäuse länger auf einem Podest stehen. Mittels qPCR konnte außerdem gezeigt werden dass sowohl ein Cdh13-/- Defizit, als auch MS, Veränderungen von GABAergen und glutamatergen Faktoren, so wie Änderungen in dem wichtigen Signalmolekühl Glykogensynthase-Kinase 3 (Gsk3a) verursacht haben. Die Ergebnisse der RNA Sequenzierung zeigten eine Anreicherung von Veränderungen in Adhesions-, Entwicklungs- und Endoplasmatischen Reticulumgenen in Cdh13-/- defiziten Tieren im Vergleich zu Cdh13+/+ Mäusen. Im selben Versuch trug MS zu einer erhöhten Aktivierung von Anti-Apoptotischen Signalwegen im Hippocampus bei, während Zell-Adhesionsmoleküle maßgeblich von der Wechselwirkung beider Faktoren betroffen waren. Zusammenfassend waren Cdh13+/+ und Cdh13+/- Mäuse im Gegensatz zu Cdh13-/- Tieren größtenteils stressresitenter, während die RNA Sequenzierung aufzeigte, dass CDH13 Schlüsselkomponenten von Zell-Zell-Adhesions, Überlebens und Zell-Stress-Signalwegen reguiert. Dies suggeriert, dass CDH13 die Programmierung und Anpassung an Umwelteinflüsse steuert, was wiederum lang anhaltende Auswirkungen auf molekularer Ebene und auf das Verhalten der Mäuse zur Folge hat. Abschließend legen die Befunde eine Rolle von CDH13 in der Umgebungsanpassung während der Entwicklung nahe.