Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung einer Kopienzahlvariante (CNV) im Erbgut, die zu einer genomischen Duplikation des SLC2A3-Gens führt. Die Auswirkungen der SLC2A3- Duplikation wurden im Zellkulturmodell und durch bildgebende Verfahren untersucht. Für die SLC2A3-Duplikation konnte eine populationsspezifische Assoziation mit ADHS gezeigt werden (Merker et al. 2017). SLC2A3 kodiert für den neuronalen Glukosetransporter GLUT3, der u.a. Prozesse der Neurotransmitterfreisetzung und Synaptogenese vermittelt und daher wichtig für die Hirnreifung ist. Mögliche Endpunkte für Endophänotypen, die auf einem alterierten Glukosemetabolismus basieren, sind dysfunktionale Hungerregulationsmechanismen ebenso wie eine veränderte neurale Reaktivität gegenüber emotionalen Stimuli und Belohnungsreizen. In zwei peripheren Zellmodellen konnte gezeigt werden, dass die SLC2A3-Duplikation Gen-Dosis-abhängig zu einer Steigerung der basalen SLC2A3-mRNA Expression führt. Ein Expressionsunterschied auf Proteinebene konnte jedoch nicht gefunden werden. Metabolischer Zellstress durch Aushungern der Zellkulturen und eine niedrige Glukosekonzentration im Zellkulturmedium führten zu einer signifikanten Erhöhung des schon unter basalen Bedingungen vorhandenen SLC2A3-Expressionsunterschiedes zwischen Duplikations- und Kontrollzelllinien. Dies deutet darauf hin, dass die SLC2A3-Duplikation bei verminderter zellulärer Energiezufuhr zu einer Überkompensation der Glukoseaufnahme führt. In einer fMRT-Untersuchung wurden erwachsene ADHS-Patienten mit SLC2A3- Duplikation mit ADHS-Patienten und gesunden Kontrollen mit jeweils 2 Genkopien hinsichtlich ereigniskorrelierter neuraler Aktivität als Antwort auf emotionale Stimuli und Essensreize verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die SLC2A3-Duplikation zu einer veränderten Reaktivität gegenüber hochkalorischen Essensreizen führt, was sich in einem durch maschinelles Lernen identifizierten multivariaten neuralen Antwortmuster und einer relativen Unterschätzung des Kaloriengehaltes hochkalorischer Nahrung zeigt. Bei der univariaten Gesamthirn-Analyse der Bilddaten wurden keine signifikanten Gruppenunterschiede gefunden, was darauf hinweist, dass unter den gewählten Versuchsbedingungen keine fokal umschriebenen Gruppenunterschiede der Hirnaktivierung bestehen. Diese Arbeit zeigt, dass die SLC2A3-Duplikation zu einer Erhöhung der SLC2A3- Genexpression mit bisher unbekannten Auswirkungen auf nachgeschaltete Stoffwechselwege und zu einem komplex veränderten neuralen Antwortmuster führt, das durch einen linearen Zusammenhang nicht zu beschreiben ist. Weitere Untersuchungen auf Zellebene und eine Erweiterung der bildgebenden Verfahren könnten zu einer besseren Einordnung der SLC2A3- Duplikation bezüglich ihres Anteils an der endophänotypischen Varianz der ADHS führen. / This thesis is dedicated to the investigation of a genomic copy number variant (CNV) which leads to a duplication of the SLC2A3 gene. The effects of the SLC2A3 duplication were examined in cell culture models and by imaging genetics. The SLC2A3 duplication is associated with ADHD on a population level (Merker et al. 2017). SLC2A3 encodes the neuronal glucose transporter GLUT3 which mediates processes of neurotransmitter release and synaptogenesis and therefore is crucial for brain development. Dysfunctional mechanisms of hunger regulation and an altered neural reactivity towards emotional and reward associated stimuli are possible endophenotypic end points based on an altered glucose metabolism. In two peripheral cell models the SLC2A3 duplication could be shown to lead to a significant increase in basal SLC2A3 mRNA expression levels. On protein level, however, the expression did not differ. Metabolic cell stress induced by cell starving and low glucose concentrations in cell culture media led to a significant increase of SLC2A3 expression differences between duplication and control cell lines. It was concluded that in states of decreased cellular energy supply the SLC2A3 duplication triggers an overcompensation of glucose uptake. Adult ADHD patients with SLC2A3 duplication were compared to ADHD patients and healthy controls each with 2 gene copies of SLC2A3 by means of fMRI regarding event related neural activity towards emotional stimuli and food cues. It could be shown, that the SLC2A3 duplication leads to an altered reactivity towards high caloric food cues which was indicated by a multivariate neural response pattern and relative underestimation of calories of high caloric food. The whole brain univariate standard analysis showed no significant group differences. Therefore, it was concluded that under the experimental conditions the SLC2A3 duplication does not induce alterations in focal brain activity. This work shows that the SLC2A3 duplication is associated with an increase in SLC2A3 gene expression with so far unknown consequences on downstream metabolic pathways. Furthermore the SLC2A3 duplication leads to a complex change in neural response that can not be described by a linear association. Further investigation on cellular level and extension of the imaging studies might elucidate the contribution of the SLC2A3 duplication to the endophenotypic variance in ADHD.

Neuropsychiatric disorders, such as attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), represent a burden which deeply impair the patient’s life. Neurobiological research has therefore increasingly focused on the examination of brain neurotransmitter systems, such as the serotonin (5-HT) system, since a dysfunction has been repeatedly implicated in the pathology of these diseases. However, investigation of functional human neurons in vitro has been restricted by technical limitations for a long time until the discovery of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) revolutionized the field of experimental disease models. Since the pathogenesis of neuropsychiatric disorders involves a complex genetic component, genome-wide association studies (GWAS) revealed numerous risk genes that are associated with an increased risk for ADHD. For instance, the novel ADHD candidate gene SLC2A3 which encodes the glucose transporter-3 (GLUT3), facilitates the transport of glucose across plasma membranes and is essential for the high energy demand of several cell types, such as stem cells and neurons. Specifically, copy number variants (CNVs) of SLC2A3 might therefore impact cerebral glucose metabolism as well as the assembly of synaptic proteins in human neurons which might contribute to the pathogenesis of ADHD. We hypothesized that an altered SLC2A3 gene dosage in human neurons can exert diverse protective or detrimental effects on neurodevelopmental processes as well as the coping of glucometabolic stress events, such as hypo- and hyperglycaemic conditions. The generation of specific iPSC lines from ADHD patients and healthy probands served as basis to efficiently differentiate stem cells into 5-HT specific neurons. Using this neuronal culture, we were able to examine effects of SLC2A3 CNVs on the basal expression of SCL2A3 and GLUT3 in human neurons. Furthermore, the focus was on potentially altered coping of the cells with glucose deprivation and the treatment with specific high- and low glycaemic media. High-resolution fluorescence imaging in combination with electrophysiological and molecular biological techniques showed that: 1) The generated human iPSCs are fully reprogrammed human stem cells showing typical characteristics of embryonic stem cell-like morphology, growth behaviour, the ability to differentiate into different cell types of the human body and the expression of pluripotency-specific markers. 2) The neuronal subtype derived from our stem cells display typical characteristics of 5-HT specific median and dorsal neurons and forms synapses reflected by the expression of pre- and postsynaptic proteins. 3) Even if SLC2A3 CNVs influence SLC2A3 and GLUT3 basal expression, no significant alterations in gene and protein expression caused by hyper- and hypoglycaemic conditions, nor in the assembly of proteins associated with synapse formation could be observed in human iPSC-derived neurons. / Neuropsychiatrische Erkrankungen, wie das Aufmerksamkeits-Defizit/Hyperaktivitäts-Syndrom (ADHS), stellen eine Belastung dar, die das Leben des Patienten schwerwiegend beeinträchtigen. Die neurobiologische Forschung hat sich deshalb zunehmend auf die Untersuchung der Neurotransmittersysteme des Gehirns, wie das serotonerge (5-HT) System fokussiert, da eine Dysfunktion wiederholt in Zusammenhang mit der Pathogenese solcher Erkrankungen gebracht wurde. Die in vitro-Untersuchung funktioneller humaner Neurone war jedoch lange Zeit durch technische Limitierungen eingeschränkt, bis die Entdeckung humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs) das Feld der experimentellen Krankheitsmodelle revolutionierte. Da die Pathogenese neuropsychiatrischer Erkrankungen eine komplexe genetische Komponente einschließt, haben genomweite Assoziationsstudien zahlreiche Risikogene aufgedeckt, die mit einem erhöhten Risiko für ADHS assoziiert werden. Das Kandidatengen SLC2A3, das den Glukosetransporter-3 (GLUT3) codiert, ermöglicht beispielsweise den Transport von Glukose über Plasmamembranen und ist somit essenziell für die hohe Energieanforderung verschiedenster Zelltypen, wie etwa Stammzellen und Neurone. Im Besonderen könnten die Kopienzahlvarianten (CNVs) des Gens SLC2A3 daher den cerebralen Glukosemetabolismus, sowie die Ansammlung synaptischer Proteine beeinflussen und so zur Pathogenese des ADHS beitragen. Wir nahmen an, dass eine veränderte SLC2A3-Gendosis in humanen Neuronen diverse protektive oder schädliche Effekte auf Neuroentwicklungsprozesse, sowie den Umgang mit glukometabolischen Stress-Ereignissen, wie etwa hypo- und hyperglykämische Bedingungen haben könnte. Die Generierung spezieller iPSC-Linien von ADHS-Patienten und gesunden Probanden diente als Basis, um Stammzellen effizient in 5-HT spezifische Neurone zu differenzieren. Diese neuronale Kultur ermöglichte uns die Untersuchung der Effekte der SLC2A3 CNVs auf die Basalexpression von SLC2A3 und GLUT3 in humanen Neuronen. Des Weiteren war der Focus auf einen potenziell veränderten Umgang der Zellen mit Glukoseentzug und der Behandlung mit speziellen hoch- und niederglykämischen Medien. Hochauflösende Fluoreszenzaufnahmen in Kombination mit elektrophysiologischen und molekularbiologischen Techniken zeigten, dass: 1) Die generierten human iPSCs vollständig reprogrammierte humane Stammzellen sind, die die typischen Merkmale der embryonalen Stammzell-Morphologie, des Wachstumsverhaltes, der Fähigkeit in verschiedenste Zelltypen des menschlichen Körpers zu differenzieren und der Expression Pluripotenz-assoziierter Marker aufweisen. 2) Der neuronale Subtyp, der aus unseren Stammzellen generiert wurde, die typischen Charakteristiken medianer und dorsaler 5-HT Neurone aufweist und Synapsen formt, verdeutlicht durch die Expression prä- und postsynaptischer Proteine. 3) Selbst wenn die SLC2A3 CNVs einen Einfluss auf die basale Gen- und Proteinexpression haben, zeigte sich jedoch in humanen iPSC-erzeugten Neuronen keine signifikante Veränderung der Gen- und Proteinexpression aufgrund hyper- und hypoglykämischer Konditionen, noch der Ansammlung der Proteine, die mit der Formation der Synapsen assoziiert sind.