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Die Adoleszenz beschreibt die entwicklungspsychologische Phase zwischen der Kindheit und des Erwachsenenalters, die durch rapide Veränderungen in der Physiologie, im Hormonhaushalt und Verhalten charakterisiert ist. Typische jugendliche Verhaltenstendenzen wie risikohaftes Verhalten und Impulsivität werden einer erheblichen biologischen Umstrukturierung des jugendlichen Gehirns attribuiert. Unklar ist jedoch, wie sich diese massiven biologischen Veränderungen auf spezifische Prozesse auswirken, welche in ein erhöhtes risikohaftes und impulsives Entscheidungsverhalten in der Adoleszenz resultieren. Die vorliegende Dissertation setzt sich zum Ziel, die kognitiven, affektiven und neuronalen Mechanismen der jugendlichen Impulsivität zu untersuchen. Hier wird der Pubertät eine besondere Rolle zugeschrieben und unterschiedliche Analyseebenen wie kognitive und affektive Maße mit biologischen Maßen wie Hormonen kombiniert, sowie Methoden der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) und kognitiven Modellierung angewandt. Die vorliegende Dissertation ist publikationsorientiert und besteht aus vier Projekten. Zum Zeitpunkt der Abgabe der Dissertation sind Kapitel I und Kapitel II erschienen, und Kapitel III und IV sind als vollständige Manuskripte bei unterschiedlichen peer-reviewed Journals eingereicht. Kapitel I gibt eine generelle Übersicht zum aktuellen Forschungsstand über den Zusammenhang zwischen Hormonen in der Pubertät, affektiver Verarbeitung und erhöhter Impulsivität und Risikobereitschaft in der Adoleszenz. Es werden Befunde von empirischen Studien mit Menschen und Tieren diskutiert, welche sich mit jugendlichen Verhalten, sowie Gehirnentwicklung während der Pubertät befassen, sowie zukünftige neue Forschungsschwerpunkte formuliert. Die folgenden drei weiteren Kapitel sind empirische Studien, welche sich mit den offenen Punkten aus dem ersten Kapitel befassen. Alle drei Studien untersuchen Ungeduld, da diese als eine spezifische Subkomponente von dem eher allgemein gefassten psychologischen Konstrukt der Impulsivität definiert ist (Romer, 2010). Während sich alle drei Studien auf die ungeduldige Entscheidungsfindung fokussieren, entscheiden sie sich dennoch in den untersuchten Mechanismen: Kapitel II fokussiert sich auf die Pubertät, speziell auf Testosteron und seinen Zusammenhang mit ungeduldiger Entscheidungsfindung. Konsistent mit früheren Studien ist das chronologische Alter (und nicht Testosteron) assoziiert mit einer generellen Abnahme der Diskontierung in der frühen Adoleszenz, während hingegen Testosteron (und nicht das Alter) mit einer erhöhten Sensitivität für sofortige Belohnungen einhergeht. Kapitel III untersucht die neuronalen Mechanismen, die der Beziehung zwischen Testosteron in der Pubertät und ungeduldigem Entscheidungsverhalten (dargestellt im vorherigen zweiten Kapitel) unterliegen. Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass Testosteron in der Pubertät speziell das dorsale, nicht jedoch das ventrale Striatum beeinflusst, welches mit der Entscheidung für kleinere, aber zeitlich früherer Belohnungen einhergeht. Die letzte Studie in Kapitel IV befasst sich mit der Frage, wie der affektive Inhalt einer Belohnung ungeduldige Entscheidungsfindung beeinflusst. Zwei unabhängige Studien haben gezeigt, dass erhöhte Levels an positiven Affekt mit einer Zunahme an ungeduldigen Entscheidungen assoziiert waren. Ein möglicher Mechanismus, der dieses Ergebnis erklären kann, ist eine Veränderung der Zeitwahrnehmung. Zusammenfassend untersucht die vorliegende Dissertation in sehr umfangreicher Art und Weise die zugrundeliegenden Mechanismen von ungeduldiger Entscheidungsfindung und kombiniert in einem multi Modell Ansatz Maße von Affekt und Hormonen mit Methoden, wie der fMRT und kognitiver Modellierung von aufgabenbezogenen Verhalten. Ergebnisse früherer Studien über jugendliches Verhalten und Gehirnentwicklung werden durch die vorliegende Doktorarbeit erweitert, indem Hormone in der Pubertät eine besondere Hervorhebung genießen und in diesem Zusammenhang spezifische Prozesse, die der impulsiven Entscheidungsfindung unterliegen, auf neuronaler und verhaltensbasierter Ebene umfangreich und sorgfältig analysiert werden. Schließlich wird die Rolle von Testosteron in der Pubertät neu definiert und es wird ein neues Framework vorgeschlagen, welches den Einfluss von Testosteron auf die kognitive Kontrolle in der Pubertät besonders hervorhebt und somit neuartige, spannende Ideen für die zukünftige Forschung darbietet / Adolescence describes the developmental phase between childhood and adulthood and is characterized by rapid changes in physiology, hormones and behavior. Typical adolescent behavioral tendencies such as risk taking and impulsivity are thought to evolve from a major biological reorganization of the adolescent brain. However, it remains unclear how these large scale biological changes impact specific processes that result in increases in risky and impulsive decision-making in adolescence. The current dissertation aims at elucidating the cognitive, affective and neural mechanisms of adolescent impulsivity by 1) highlighting the role of puberty and 2) combining different levels of analyses, including cognitive or affective measures, with biological measures such as pubertal hormones and functional magnetic resonance imaging (fMRI), in combination with cognitive modeling techniques. The dissertation is publication-oriented and consists of four pieces of work. At the time of submitting this dissertation, Paper I and Paper II have been published, and Paper III and Paper IV exist as complete drafts that have been submitted for publication. Paper I gives a general overview of the current state of the art on the relationship between pubertal hormones, affective processing and increased impulsive and risky decision-making in adolescence. It discusses findings of empirical studies focusing on both adolescent behavior and the brain in the light of pubertal maturation in humans and animals and formulates new research directions. The following three papers are empirical studies that tackle the questions made in Paper I, examining specifically impatience, which is defined as one subcomponent of the more broader construct of impulsivity (Romer, 2010). While each paper focuses on impatient decision-making, they differ in terms of the mechanism being investigated: Paper II focuses on puberty, in particular testosterone and its relationship to impatient decision making. Consistent with previous studies, age, but not testosterone is associated with an overall decline in discounting in early adolescence, while testosterone but not age is associated with increased sensitivity to immediate rewards. Paper III investigates the neural mechanisms underlying the relationship between pubertal testosterone and impatient decision making previously described in Paper II. Here, results indicated that testosterone specifically impacts the dorsal, but not the ventral striatum, which in turn lead to behavior that was biased towards choosing smaller sooner rewards. Finally, Paper IV focuses on affective processing, specifically on how the affective content of a reward impacts impatient decision-making. In two independent studies, increased levels of positive affect were consistently associated with an increase in impatient decisions. The underlying mechanism that may explain this increased impatient behavior is a shift in time judgment. In summary, this dissertation thoroughly investigated the underlying mechanisms of impatient decision-making by using a multimodal approach with measures of affect, fMRI, and hormonal assessment combined with cognitive modeling of task-related behavior. It extends previous findings on adolescent behavior and brain development by elucidating the role of pubertal hormones with regard to specific processes underlying impatient decision making, both on a behavioral and neural level. Finally, it redefines the role of pubertal testosterone by proposing a novel framework that highlights its impact on executive control, thus offering novel, exciting directions for future research.

To form complex organisms characterized by different tissues with specialized functions, cells must acquire distinct identities during development. Yet, all the cells of an organism are equipped with the same genomic information. Elucidating the mechanisms that regulate the determination of a cell identity, i.e. the cell-fate commitment, is a main purpose in developmental biology. Numerous studies focused on genes that are activated or repressed at each stage of differentiation, identifying several key regulators of development. However, this approach ignores the transcript variability derived from alternative splicing, the transcriptional process by which different gene coding segments, i.e. exons, are combined giving rise to multiple transcripts and proteins from the same gene. With the advent of novel sequencing technologies, it is becoming clear that alternative splicing is widespread in higher organisms, regulates several processes and presents tissue- and cell-specificity. In mammals, the brain shows the highest degree of alternative splicing, with neurons expressing a high variety of splice variants. In this project I investigated whether and how alternative splicing could regulate cell-fate determination in the context of the embryonic development of the mouse neocortex, a highly complex structure presenting several different neuronal subtypes generated at specific time points. For this purpose, I analyzed transcriptome data of cells of the neurogenic lineage isolated from the developing mouse neocortex at subsequent stages of differentiation. I showed that the expression pattern of the proteins regulating splicing, i.e. the splicing factors, changes during neocortical development. By employing several bioinformatic tools, I described the splicing profile that characterizes each differentiation stage and, for the first time, I identified the splicing events that mark cell-fate commitment to a neurogenic identity. Alternative splicing mostly involved genes with a role in nervous system development, cell growth and signaling, mainly leading to the production of alternative protein isoforms. Splicing choices taken during the neurogenic commitment were kept throughout neurogenesis. Thus, exons that start to be included during cell-fate determination are always included in post-mitotic neurons. Exons gained during neurogenic commitment were characterized by strong features in their upstream intron, presented a general short length with an overrepresentation of microexons in the 3-27 nucleotides length range and showed an enrichment for binding motifs of the neural splicing factor nSR100. In vivo manipulation in the embryonic mouse neocortex highlighted isoform-specific effects on neocortical development, strongly suggesting a causal relationship between alternative splicing choices and cell-fate commitment. Moreover, the higher cell-specificity offered by the present dataset, compared to similar studies, allowed a better understanding of previously identified splicing events that characterize the nervous system and the relationships between neural-specific splicing factors.:Table of Contents Abstract I Zusammenfassung III Table of Contents V List of Figures VII List of Tables IX Abbreviations X Gene abbreviations XII 1 Introduction 1 1.1 Neurogenesis during embryonic development 2 1.1.1 Formation and patterning of the neural tube 2 1.1.2 Neural progenitors in the dorsal telencephalon 6 1.1.3 Neurogenesis 8 1.1.4 Regulation of neurogenesis 10 1.1.5 A novel tool to investigate cell-fate determination in the central nervous system: the Btg2RFP/Tubb3GFP mouse line 13 1.2 Alternative splicing: an additional level of genomic regulation 15 1.2.1 The splicing reaction 16 1.2.2 What makes splicing alternative? 18 1.2.3 Regulation of alternative splicing 19 1.2.4 The challenge to detect splicing 23 1.2.5 New sequencing technologies reveal a high transcriptome complexity 29 1.2.6 Splicing in nervous system development 31 1.2.7 Aims of the project 36 2 Materials and methods 38 2.1 Materials 38 2.1.1 Bacteria, cells, mouse strains 38 2.1.2 Vector 38 2.1.3 Primers 38 2.1.4 Chemicals and buffers 41 2.1.5 Antibodies 42 2.1.6 Kits and enzymes 42 2.2 Methods 43 2.2.1 Animal experiments 43 2.2.2 Molecular biology 44 2.2.3 Immunohistochemistry 46 2.2.4 Bioinformatics 47 3 Results 53 3.1 Splicing factors are differentially expressed during neurogenic commitment and neurogenesis 53 3.2 Detection of alternative splicing 55 3.2.1 Isoform-switching 55 3.2.2 Exon usage and splicing events 57 3.3 Validation 62 3.3.1 The isoform switching method has a poor validation rate 62 3.3.2 Analysis at the exon level has a high rate of validation 65 3.4 Pattern and representation of splicing events 67 3.4.1 Splicing choices during neurogenic commitment define the splicing profiles of neurons 67 3.4.2 Splicing events: microexon inclusion characterizes neurogenic commitment 69 3.5 Alternative splicing changes the protein output of genes involved in neurogenesis 75 3.5.1 Spliced genes are involved in neurogenesis and signaling 75 3.5.2 Impact of alternative splicing on the proteome 77 3.6 Splicing regulation: neural exon features and splicing factor binding 79 3.6.1 Included neural exons are short and preceded by strong exon-definition features 79 3.6.2 Early included exons are enriched for nSR100 binding sites 85 3.7 The Btg2RFP/Tubb3GFP mouse line outperforms previous models for the study of cell-type-specific splicing in the brain 88 3.8 In vivo manipulation of splice variants 90 4 Discussion 94 4.1 The combination of different bioinformatic approaches allows an accurate identification of splicing events at the exon-level 95 4.2 Splicing choices during neurogenic commitment establish a neural signature characterized by microexon inclusion 97 4.3 Splicing during neocortical development leads to the generation of alternative protein isoforms in genes involved in neurogenesis and signaling 98 4.4 Neural exons are short and present strong features facilitating inclusion 101 4.5 Neural exons are prevalently regulated by nSR100 during neurogenic commitment 102 4.6 In vivo overexpression of splice variants highlights isoform-specific functions in neurogenic commitment 105 4.7 Concluding remarks and future perspectives 108 5 Supplementary figures 110 6 References 118 Acknowledgments 137 Anlange I 138 Anlange II 139

Schilddrüsenhormone benötigen als geladene Proteine Transporter um Zellmembranen zu durchqueren. Ein sehr spezifisches Transportprotein ist der Monocarboxylattransporter 8 (Mct8). Mutationen in MCT8 führen beim Menschen zu einer schweren X-gekoppelten mentalen Retardierung, die mit sehr speziellen Veränderungen der Schilddrüsenhormonwerte im Serum einher geht. Zur genaueren Untersuchung der Funktion von Mct8 sowie Mechanismen der Erkrankung wurde ein Knock-out Mausmodell für Mct8 generiert und mit dem menschlichen Phänotyp verglichen. Mct8-defiziente Mäuse replizieren den humanen Phänotyp in Hinsicht auf veränderte Schilddrüsenhormonparameter im Serum. Dennoch weisen diese Mäuse keine morphologischen Veränderungen des Gehirns auf. Ein in dieser Arbeit erstmalig nachgewiesenes ähnlich einer Hyperthyreose verändertes Angstverhalten sowie ein ähnlich einer Hypothyreose verändertes Putzverhalten führte zu der Hypothese, dass es andere Transporter gibt, die den Verlust von Mct8 kompensieren. Ein Kandidat mit einem ähnlichen Expressionsmuster in verschiedenen Geweben und auch in Zelltypen des Gehirns ist der L-Typ Aminosäuretransporter 2 (Lat2). Mct8 ist bei der Maus und beim Menschen während der Entwicklung stark in Neuronen und anderen Zelltypen des Gehirns exprimiert. LAT2 ist jedoch anders als bei der Maus beim Menschen während der Entwicklung in Neuronen nicht nachweisbar. Lat2 könnte also bei der Maus, jedoch nicht beim Menschen den Verlust von Mct8 während der Gehirnentwicklung kompensieren und somit den Unterschied zwischen beiden Phänotypen erklären. Die Untersuchung von Mct8-defizienten Mäusen konnte jedoch auch einen neuen Phänotyp aufdecken: das Fehlen von Mct8 führt bei Mäusen mit zunehmendem Alter zu Hyperplasien der Schilddrüse, die als papilläre Schilddrüsenkarzinome klassifiziert wurden. Bei einem Patienten mit Allan-Herndon-Dudley-Syndrom konnten hierauf ebenfalls hyperplastische Veränderungen der Schilddrüse gefunden werden. / Thyroid hormones are charged molecules and therefore need transporters to cross the cell membrane. One very specific transport protein is the monocarboxylatetransporter 8 (Mct8). Mutations in MCT8 lead to a severe form of X-linked mental retardation in humans in combination with very specific changes in thyroid hormone serum parameters. A mouse model of Mct8-deficiency was generated and compared to the human phenotype to be able to precisely analyze functions of Mct8 and mechanisms of the disease. Mct8-deficient mice do replicate the human phenotype concerning changes of thyroid hormones in serum. However, these mice did not show any morphological changes in the brain. This work could show for the first time changes in anxiety-related behaviour indicative of hyperthyroidism as well as changes in grooming behaviour indicative of hypothyroidism. This led to the hypothesis that other transporters exist that can compensate for the loss of Mct8. One candidate that has a similar expression pattern in different tissues and cell types of the brain is the L-type amino acid transporter 2 (Lat2). Mct8 is highly expressed in neurons and other cell types of mice and humans during development. LAT2 is in contrast to the mouse not detectable in human developing neurons. Therefore, Lat2 could compensate in the mouse but not in the human for the loss of Mct8 during brain development. This could explain the differences between both phenotypes. Nevertheless, the analysis of Mct8-deficient mice could also disclose a new phenotype: the loss of Mct8 leads to thyroid hyperplasia in mice that increases with age and could be classified as papillary thyroid carcinoma. Thereupon, hyperplastic changes of the thyroid could also be detected in a patient with Allan-Herndon-Dudley syndrome.