Reduced activity of the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) has been implicated in the pathophysiology of schizophrenia. The NMDAR contains a glycine site on the NR1 subunit that may be a promising therapeutic target for psychiatric illness. Recently, D-serine has been discovered to be a high-affinity endogenous activator of the NMDAR glycine site. Levels of D-serine in the brain are controlled by its synthesis enzyme serine racemase (Srr) and its catabolic enzyme D-amino acid oxidase (DAO). This work investigates the NMDAR glycine site, D-serine, and D-serine-regulatory enzymes Srr and DAO in the pathophysiology and treatment of symptomatology relevant to schizophrenia and other psychiatric disorders. Pharmacological and genetic mouse models were used to alter glycine site function and D-serine availability. Behavioral responses in these models were assessed. Administration of exogenous D-serine and the glycine transporter 1 (GlyT-1) inhibitor ALX-5407 improved performance of C57BL/6J mice in behavioral tests examining prepulse inhibition (PPI) or latent inhibition (LI). These compounds also reversed impairments induced by the NMDAR antagonist MK-801, and produced similar beneficial effects to the classical atypical antipsychotic clozapine. Mice carrying a point mutation that leads to diminished NMDAR glycine site function demonstrated abnormally persistent LI and deficits in social approach and spatial recognition that were reversible by D-serine or clozapine administration. Similarly, mutant mice that lacked Srr function and had a severe reduction in D-serine displayed impairments in sociability, PPI, spatial recognition and memory. Behavioral deficits in mice without Srr were exacerbated by MK-801 and rescued by treatment with D-serine or clozapine. A genetically-induced loss of DAO function in mice resulted in the elevation of brain D-serine levels, and produced improvements in spatial reversal memory and extinction of a learned response in the Morris water maze, consistent with the effects of exogenous D-serine application in wild-type mice. Thus, deficiencies in NMDAR glycine site function and D-serine availability produce behavioral disturbances that are relevant to the negative and cognitive symptoms of schizophrenia. Activation of the NMDAR glycine site by D-serine, GlyT-1 inhibition, or diminished DAO activity may be beneficial for the treatment of schizophrenia and other psychopathologies involving cognitive dysfunction and persistent repetitive behaviors.

Reduced activity of the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) has been implicated in the pathophysiology of schizophrenia. The NMDAR contains a glycine site on the NR1 subunit that may be a promising therapeutic target for psychiatric illness. Recently, D-serine has been discovered to be a high-affinity endogenous activator of the NMDAR glycine site. Levels of D-serine in the brain are controlled by its synthesis enzyme serine racemase (Srr) and its catabolic enzyme D-amino acid oxidase (DAO). This work investigates the NMDAR glycine site, D-serine, and D-serine-regulatory enzymes Srr and DAO in the pathophysiology and treatment of symptomatology relevant to schizophrenia and other psychiatric disorders. Pharmacological and genetic mouse models were used to alter glycine site function and D-serine availability. Behavioral responses in these models were assessed. Administration of exogenous D-serine and the glycine transporter 1 (GlyT-1) inhibitor ALX-5407 improved performance of C57BL/6J mice in behavioral tests examining prepulse inhibition (PPI) or latent inhibition (LI). These compounds also reversed impairments induced by the NMDAR antagonist MK-801, and produced similar beneficial effects to the classical atypical antipsychotic clozapine. Mice carrying a point mutation that leads to diminished NMDAR glycine site function demonstrated abnormally persistent LI and deficits in social approach and spatial recognition that were reversible by D-serine or clozapine administration. Similarly, mutant mice that lacked Srr function and had a severe reduction in D-serine displayed impairments in sociability, PPI, spatial recognition and memory. Behavioral deficits in mice without Srr were exacerbated by MK-801 and rescued by treatment with D-serine or clozapine. A genetically-induced loss of DAO function in mice resulted in the elevation of brain D-serine levels, and produced improvements in spatial reversal memory and extinction of a learned response in the Morris water maze, consistent with the effects of exogenous D-serine application in wild-type mice. Thus, deficiencies in NMDAR glycine site function and D-serine availability produce behavioral disturbances that are relevant to the negative and cognitive symptoms of schizophrenia. Activation of the NMDAR glycine site by D-serine, GlyT-1 inhibition, or diminished DAO activity may be beneficial for the treatment of schizophrenia and other psychopathologies involving cognitive dysfunction and persistent repetitive behaviors.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Glucocorticoid excess is a leading cause of osteoporosis. The loss of bone mass and strength corresponds to the increase in fractures exhibited after three months of glucocorticoid therapy. Glucocorticoids induce the bone cellular responses of deceased bone formation, increased osteoblast/osteocyte apoptosis, and transient increased bone resorption, which result in rapid bone loss and degradation of bone microarchitecture. The current standard of care for osteoporosis is bisphosphonate treatment; however, these agents further suppress bone formation and increase osteonecrosis and low energy atypical fracture risks. Thus, there is an unmet need for interventions that protect from glucocorticoid therapy. The purpose of these studies was to investigate novel mechanisms that potentially interfere with glucocorticoid-induced bone loss. We chose to explore pathways that regulate endoplasmic reticulum stress, the canonical Wnt pathway, and Pyk2 activity. Pharmacologic reduction of endoplasmic reticulum stress through salubrinal administration protected against glucocorticoid-induced bone loss by preservation of bone formation and osteoblast/osteocyte viability. In contrast, inhibition of Wnt antagonist Sost/sclerostin and inhibition of Pyk2 signaling did not prevent glucocorticoid-induced reductions in bone formation; however, both Sost/sclerostin and Pyk2 deficiency protected against bone loss through inhibition of increases in resorption. Overall, these studies demonstrate the significant contributions of reductions in bone formation, increased osteoblast/osteocyte apoptosis, and elevations in resorption to the rapid 6-12% bone loss exhibited during the first year of glucocorticoid therapy. However, glucocorticoid excess also induces skeletal muscle weakness, which is not reversed by bisphosphonate treatment or the interventions reported here of salubrinal, Sost/sclerostin inhibition, or Pyk2 deficiency. Further, the novel finding of increased E3 ubiquitin ligase atrophy signaling induce by glucocorticoids in both bone and muscle, by tissue-specific upstream mechanisms, provides opportunities for therapeutic combination strategies. Thus, future studies are warranted to investigate the role of E3 ubiquitin ligase signaling in the deleterious glucocorticoid effects of bone and muscle.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Down syndrome (DS) is a genetic disorder that results from triplication of human chromosome 21 (Hsa21) and occurs in around 1 in 1000 live births. All individuals with DS present with skeletal abnormalities typified by craniofacial features, short stature and low bone mineral density (BMD). Differences between males and females with DS suggest a sexual dimorphism in how trisomy affects skeletal deficits associated with trisomy 21 (Ts21). Previous investigations of skeletal abnormalities in DS have varied methodology, sample sizes and ages making the underlying causes of deficits uncertain. Mouse models of DS were used to characterize skeletal abnormalities, but the genetic and developmental origin remain unidentified. Over-expression Dyrk1a, found on Hsa21 and mouse chromosome 16 (Mmu16) has been linked to cognitive deficits and skeletal deficiencies. Dp1Tyb mice contain three copies of all of the genes on Mmu16 that are homologous to Hsa21, males and females are fertile, and therefore are an excellent model to test the hypothesis that gene dosage influences the sexual dimorphism of bone abnormalities in DS. Dp1Tyb at 6 weeks 16 weeks showed distinctive abnormalities in BMD, trabecular architecture, and reduced bone strength over time that occur generally through an interaction between sex and genotype. Increased gene dosage and sexual dimorphism in Dp1Tyb mice revealed distinct phenotypes in bone formation and resorption. To assess how Dyrk1a influences the activity and function of osteoblasts Ts65Dn female trisomic mice, female mice with a floxed Dyrk1a gene (Ts65Dn, Dyrk1afl/+) were be bred to Osx1-GFP::Cre+ mice to generate Ts65Dn animals with a reduced copy of Dyrk1a in mature osteoblast cells. Female Ts65Dn,Dyrk1a+/+/+ and Ts65Dn,Dyrk1a+/+/-displayed significant defects in both trabecular architecture and cortical geometry. Ultimate force was reduced in trisomic animals, suggesting whole bone and tissue level properties are not adversely affected by trisomy. Reduction of Dyrk1a functional copy number in female mice did not improve skeletal deficits in an otherwise trisomic animal. Dyrk1a may not alter osteoblast cellular activity in an autonomous manner in trisomic female mice. These data establish sex, gene dosage, skeletal site and age as important factors in skeletal development of the skeleton in DS mice, potentially paving the way for identification of the causal dosage-sensitive genes in both male and female animals.

Einleitung: Tiermodelle spielen für die Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen und die Entwicklung erfolgsversprechender Therapieoptionen zentralnervöser Bewegungsstörungen eine unverzichtbare Rolle. Die Identifizierung von Gendefekten für die Parkinson-Krankheit und Dystonien ermöglichte die Generierung von Tiermodellen mit einer hohen „construct validity“. Weibliche transgene Thy1-aSyn Mäuse sowie DYT1 Knock-in (KI) Mäuse zeigen jedoch keine motorischen Störungen. In der vorliegenden Arbeit sollten zur Aufdeckung sensomotorischer Beeinträchtigungen, die bei Parkinson- und Dystoniepatienten beobachtet werden, detaillierte Untersuchungen des Verhaltens an diesen beiden Mausmodellen durchgeführt werden. Zielstellung: Zunächst sollte ein sensitiver Verhaltenstest konstruiert und entwickelt werden, bei dem sich ändernde sensorische Stimuli während der Ausübung der motorischen Aufgabe impliziert werden. Bei der Etablierung dieses sogenannten „adaptiven rotierenden Balkentests“ (ARB-Test) sollte auch der Einfluss des genetischen Hintergrunds bei Wildtyp-Mäusen evaluiert werden. Daraufhin sollte überprüft werden, ob dieser Test den Endophänotyp der weiblichen Thy1-aSyn Mäuse aufdecken kann. In dem DYT1 KI Mausmodell sollte der Frage nachgegangen werden, ob die Tiere Verhaltensdefizite in spezifischen Tests zeigen, die sensomotorische Verschaltungen untersuchen. Material und Methoden: Die mRNA-Expression von α-Synuclein in der Substantia nigra bei männlichen und weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde mithilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) ermittelt. Im Anschluss an die Entwicklung des neuen Verhaltensapparates für den ARB-Test wurden Thy1-aSyn Tiere beider Geschlechter in diesem Versuch getestet und ihre Leistung den Ergebnissen auf etablierten motorischen Verhaltenstests („challenging beam test“, „pole test“) gegenübergestellt. Um den Einfluss des Hintergrundstammes auf das Verhalten der Tiere auf dem ARB-Test zu untersuchen, wurden Wildtypen der reinen C57BL/6J-Linie sowie Hybrid-Tiere des Stammes C57Bl/6J × DBA2 (BDF1) allen drei o. g. Versuchen unterzogen. Bei den Mäusen des DYT1 KI Modells wurde der „adhesive removal test“ und der ARB-Test zur Analyse der Sensomotorik durchgeführt. Im Vergleich dazu wurden vielfältige Verhaltensparameter in einer Reihe vorwiegend motorischer (Offenfeld-Test, „challenging beam test“, „pole test“, Zylinder-Test, Block-Test, Nestbau-Test) und kognitiver („y-maze test“) Verhaltenstests ausgewertet. Ergebnisse: Bei den weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde eine geringere Expression des Transgens im Vergleich zu den männlichen Tieren festgestellt. Der neue ARB-Test wurde erfolgreich etabliert und konnte signifikante Verhaltensdefizite der weiblichen und männlichen Mutanten des Parkinson-Modells im Vergleich zu den Kontrolltieren aufdecken. Der genetische Hintergrund beeinflusste die Leistung der Wildtypen auf diesem Balkentest. Während die DYT1 KI Tiere in den rein motorischen und kognitiven Versuchen keine Beeinträchtigungen des Verhaltens zeigten, konnten der „adhesive removal test“ sowie der neue ARB-Test signifikante sensomotorische Defizite der KI Mäuse im Unterschied zu den Wildtypen zum Vorschein bringen. Schlussfolgerung: Im Thy1-aSyn Mausmodell konnte die Bedeutung der sensomotorischen Integration für die Ausprägung motorischer Defizite sowie für eine mögliche Kompensation solcher motorischen Beeinträchtigungen demonstriert werden. Hierfür hat sich der neu entwickelte, sensitive ARB-Test als geeignet herausgestellt. Die Aufdeckung von Beeinträchtigungen der Sensomotorik spricht auch bei den DYT1 KI Tieren für den Einfluss einer gestörten sensomotorischen Integration bei der Ausprägung der Symptomatik. Damit eignet sich dieses Mausmodell für die Untersuchung weiterer Parameter, die Auswirkungen auf die Aufdeckung des Phänotyps und die Penetranz der Erkrankung haben sowie um die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen zu erforschen.

<p>Down syndrome (DS) is a genetic disorder that results from triplication of human chromosome 21 (Hsa21) and occurs in around 1 in 1000 live births. All individuals with DS present with skeletal abnormalities typified by craniofacial features, short stature and low bone mineral density (BMD). Differences between males and females with DS suggest a sexual dimorphism in how trisomy affects skeletal deficits associated with trisomy 21 (Ts21). Previous investigations of skeletal abnormalities in DS have varied methodology, sample sizes and ages making the underlying causes of deficits uncertain. Mouse models of DS were used to characterize skeletal abnormalities, but the genetic and developmental origin remain unidentified. Over-expression <i>Dyrk1a</i>, found on Hsa21 and mouse chromosome 16 (Mmu16) has been linked to cognitive deficits and skeletal deficiencies. Dp1Tyb mice contain three copies of all of the genes on Mmu16 that are homologous to Hsa21, males and females are fertile, and therefore are an excellent model to test the hypothesis that gene dosage influences the sexual dimorphism of bone abnormalities in DS. Dp1Tyb at 6 weeks 16 weeks showed distinctive abnormalities in BMD, trabecular architecture, and reduced bone strength over time that occur generally through an interaction between sex and genotype. Increased gene dosage and sexual dimorphism in Dp1Tyb mice revealed distinct phenotypes in bone formation and resorption. To assess how <i>Dyrk1a</i> influences the activity and function of osteoblasts Ts65Dn female trisomic mice, female mice with a floxed <i>Dyrk1a</i> gene (Ts65Dn, <i>Dyrk1a</i>^fl/+) were be bred to <i>Osx1</i>-GFP::Cre+ mice to generate Ts65Dn animals with a reduced copy of <i>Dyrk1a </i>in mature osteoblast cells. Female Ts65Dn,<i>Dyrk1a^+/+/+</i>and Ts65Dn,<i>Dyrk1a^+/+/-</i>displayed significant defects in both trabecular architecture and cortical geometry. Ultimate force was reduced in trisomic animals, suggesting whole bone and tissue level properties are not adversely affected by trisomy. Reduction of <i>Dyrk1a</i> functional copy number in female mice did not improve skeletal deficits in an otherwise trisomic animal. <i>Dyrk1a </i>may not alter osteoblast cellular activity in an autonomous manner in trisomic female mice. These data establish sex, gene dosage, skeletal site and age as important factors in skeletal development of the skeleton in DS mice, potentially paving the way for identification of the causal dosage-sensitive genes in both male and female animals. </p>

Einleitung: Tiermodelle spielen für die Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen und die Entwicklung erfolgsversprechender Therapieoptionen zentralnervöser Bewegungsstörungen eine unverzichtbare Rolle. Die Identifizierung von Gendefekten für die Parkinson-Krankheit und Dystonien ermöglichte die Generierung von Tiermodellen mit einer hohen „construct validity“. Weibliche transgene Thy1-aSyn Mäuse sowie DYT1 Knock-in (KI) Mäuse zeigen jedoch keine motorischen Störungen. In der vorliegenden Arbeit sollten zur Aufdeckung sensomotorischer Beeinträchtigungen, die bei Parkinson- und Dystoniepatienten beobachtet werden, detaillierte Untersuchungen des Verhaltens an diesen beiden Mausmodellen durchgeführt werden. Zielstellung: Zunächst sollte ein sensitiver Verhaltenstest konstruiert und entwickelt werden, bei dem sich ändernde sensorische Stimuli während der Ausübung der motorischen Aufgabe impliziert werden. Bei der Etablierung dieses sogenannten „adaptiven rotierenden Balkentests“ (ARB-Test) sollte auch der Einfluss des genetischen Hintergrunds bei Wildtyp-Mäusen evaluiert werden. Daraufhin sollte überprüft werden, ob dieser Test den Endophänotyp der weiblichen Thy1-aSyn Mäuse aufdecken kann. In dem DYT1 KI Mausmodell sollte der Frage nachgegangen werden, ob die Tiere Verhaltensdefizite in spezifischen Tests zeigen, die sensomotorische Verschaltungen untersuchen. Material und Methoden: Die mRNA-Expression von α-Synuclein in der Substantia nigra bei männlichen und weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde mithilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) ermittelt. Im Anschluss an die Entwicklung des neuen Verhaltensapparates für den ARB-Test wurden Thy1-aSyn Tiere beider Geschlechter in diesem Versuch getestet und ihre Leistung den Ergebnissen auf etablierten motorischen Verhaltenstests („challenging beam test“, „pole test“) gegenübergestellt. Um den Einfluss des Hintergrundstammes auf das Verhalten der Tiere auf dem ARB-Test zu untersuchen, wurden Wildtypen der reinen C57BL/6J-Linie sowie Hybrid-Tiere des Stammes C57Bl/6J × DBA2 (BDF1) allen drei o. g. Versuchen unterzogen. Bei den Mäusen des DYT1 KI Modells wurde der „adhesive removal test“ und der ARB-Test zur Analyse der Sensomotorik durchgeführt. Im Vergleich dazu wurden vielfältige Verhaltensparameter in einer Reihe vorwiegend motorischer (Offenfeld-Test, „challenging beam test“, „pole test“, Zylinder-Test, Block-Test, Nestbau-Test) und kognitiver („y-maze test“) Verhaltenstests ausgewertet. Ergebnisse: Bei den weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde eine geringere Expression des Transgens im Vergleich zu den männlichen Tieren festgestellt. Der neue ARB-Test wurde erfolgreich etabliert und konnte signifikante Verhaltensdefizite der weiblichen und männlichen Mutanten des Parkinson-Modells im Vergleich zu den Kontrolltieren aufdecken. Der genetische Hintergrund beeinflusste die Leistung der Wildtypen auf diesem Balkentest. Während die DYT1 KI Tiere in den rein motorischen und kognitiven Versuchen keine Beeinträchtigungen des Verhaltens zeigten, konnten der „adhesive removal test“ sowie der neue ARB-Test signifikante sensomotorische Defizite der KI Mäuse im Unterschied zu den Wildtypen zum Vorschein bringen. Schlussfolgerung: Im Thy1-aSyn Mausmodell konnte die Bedeutung der sensomotorischen Integration für die Ausprägung motorischer Defizite sowie für eine mögliche Kompensation solcher motorischen Beeinträchtigungen demonstriert werden. Hierfür hat sich der neu entwickelte, sensitive ARB-Test als geeignet herausgestellt. Die Aufdeckung von Beeinträchtigungen der Sensomotorik spricht auch bei den DYT1 KI Tieren für den Einfluss einer gestörten sensomotorischen Integration bei der Ausprägung der Symptomatik. Damit eignet sich dieses Mausmodell für die Untersuchung weiterer Parameter, die Auswirkungen auf die Aufdeckung des Phänotyps und die Penetranz der Erkrankung haben sowie um die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen zu erforschen.