Ein Signalweg während der neuronalen Entwicklung im adulten Gehirn ist der PI3K-PTEN-Akt Signalweg. Akt ist eine Kinase die drei verschiedene Isoformen besitzt, welche durch die Phosphorylierung von S473 und T308 aktiviert werden. KO Modelle der Isoformen haben gezeigt, dass nicht alle Funktionen von anderen Isoformen kompensiert werden können. Die genaue Rolle der einzelnen Isoformen in einem neuronalen Zusammenhang ist nur wenig untersucht. Ziel dieser Arbeit war, eine detaillierte Analyse der einzelnen Akt Isoformen nach der Aktivierung des PI3K-PTEN Signalweges. Dazu wurde im Labor eine neue Methode zur isoelektrischen Fokussierung etabliert., welche Proteine nach ihrer Ladung trennt und somit eine Analyse der Dynamik von Akt Phosphorylierungen in neuronalen Zellen erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit konnten wir bisher unerkannte Merkmale der Akt Aktivierung und Phosphorylierung identifizieren. Wir konnten zeigen, dass die S473 und T308 Phosphorylierung in Neuroblastomazellen unabhängig voneinander auftreten kann und, dass verschiedene Akt1 Moleküle unterschiedlich auf die Inhibition von PI3K reagieren. Außerdem konnten wir Verschiebungen in der Aktivierung und in der Expression der unterschiedlichen Isoformen während der postnatalen Gehirnentwicklung der Ratte feststellen. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Aktivierung von Akt von dem Signal und dem Alter der Neurone abhängig ist. Noch nicht vollständig differenzierte Neurone reagieren vor allem auf BDNF Stimulation, wohingegen adulte, differenzierte Neurone hauptsächlich auf EGF reagieren und dort explizit Akt2 über EGFR und PI3K-p110α Signale aktiviert wird. Im Gegensatz dazu führt der Verlust von PTEN zu einer Aktivierung von hauptsächlich Akt1. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit einen komplexen Zusammenhang der Phosphorylierung von Akt auf, welcher Signal- und Entwicklungsabhängig ist bei dem unterschiedliche Akt Populationen auf Wachstumsfaktoren und auf PTEN Verlust reagieren. / A major pathway involved in neuronal development is the PI3K-PTEN-Akt pathway. Akt comprises three isoforms, which are activated by phosphorylation of the residues S473 and T308. KO animals for the isoforms have shown differential as well as redundant functions of the three isoforms. However, their individual role in neuronal signaling pathways has not yet been studied in great detail. The aim of this study was to obtain further insight into differential Akt isoform signaling in response to changes in the activity of PI3K and PTEN pathway. A new isoelectric focusing method was established, which allowed us to separate Akt proteins according to their charge, therefore, providing a refined read-out to study dynamics of Akt phosphorylation in a neuronal background. In the course of this project we were able to identify previously undescribed features of Akt phosphorylation and activation. First, we could provide evidence for an uncoupling of the two activating phosphorylation events at S473 and T308 in neuroblastoma cells and differential sensitivities of Akt1 forms towards PI3K inhibition. Secondly, we found a transient shift in Akt isoform activation and abundance during postnatal rat brain development. Thirdly, we were able to show that the activation of different Akt isoforms is dependent of the upstream signal as well as the age of the neuron. Immature neurons were found to be highly responsive to BDNF treatment, whereas mature neurons were most responsive to EGF stimulation leading exclusively to activation of Akt2 in an EGFR- and PI3K/p110α-dependent manner. Stimulation of Akt phosphorylation by the loss of PTEN led to an activation of mainly Akt1 forms, which suggests inherent differences in the Akt pools that are accessible to growth factors dependent PI3Ks as compared to the pools that are controlled by PTEN. In summary, this thesis demonstrates the presence of complex phosphorylation events of Akt in a developmental- and signal-dependent manner in neurons.

Für die meisten Säugetiere ist Navigation eine essentielle kognitive Fähigkeit. Im Bereich der Neurowissenschaften gab es immense Fortschritte im Verständnis neuronaler Grundlagen von Navigation. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der neuronalen Grundlage von Navigation im Hinblick auf Hirnstruktur (d.h. Parasubikulum) und ethologisch relevante Verhaltensweisen (d.h. Heimkehr und Spielverhalten). Im ersten Kapitel konzentriere ich mich auf das Verhältnis von Struktur und Funktion im Parasubikulum. Wir postulieren, dass das Parasubikulum durch seine selektive Vernetzung mit dem entorhinalen Kortex, durch seine starke interne Konnektivität, sowie wegen dem hohen Grad räumlich selektiver Aktivitätsmuster seiner Neurone im Bezug auf die Kontrolle von Gitterzellaktivität und räumlicher Navigation eine herausragende Stellung einnimmt. Im zweiten Kapitel untersuche ich die neuronale Grundlage von Heimkehr. Wir nutzen die starke Verbundenheit von Laborratten zu ihrem Zuhause. Wir zeigen, dass das Parasubikulum und der entorhinale Kortex keinen expliziten Heimvektor besitzen und dass die Präsenz des Zuhauses keine globale Veränderung der neuralen Repräsentation des Raums hervorruft. Allerdings führte die Präsenz des Zuhauses oder anderer geometrischer Objekte zu einer Verzerrung von Gitterzellen. Im dritten Kapitel unteruche ich Navigation im Hinblick auf Spielverhalten. Ratten erlernen das Versteckspiel schnell und verhalten sich erstaunlich regelkonform. Zeigen Ratten spielspezifische Vokalisationen. Gleichzeitige Ableitungen neuronaler Aktivität im medialen präfrontalen Kortex offenbarten starke und spezifische Antworten der meisten Nervenzellen auf verschiedene Phasen des Spiels des spezifischen Spielkontextes wiederspiegeln. Diese Arbeit liefert durch ihren ethologischen Ansatz und durch Verhaltensanalysen von sich frei verhaltenden Tieren einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis neuronaler Grundlagen von Navigation im Säugetiergehirn. / Navigation is an essential cognitive skill in the life of most animals. Animals move along space to procure the advantages of different places in the environment, and to adapt to ever changing resources, dangers and needs. This thesis addresses the neural bases of navigation in the context of brain structure (i.e. the parasubiculum) and ethologically relevant behaviors (i.e. homing and playing). In the first chapter I focus on the structure function relation of the parasubiculum: an understudied area of the rat’s parahippocampal cortex. We performed the most comprehensive study of the parasubiculum up to date and propose that, because of its selective connectivity with the medial entorhinal cortex, its internal connectivity, and the high spatial and head directional tuning of its neurons, the parasubiculum sits in remarkable position to control grid cell activity and navigation. In the second chapter, I study the neural bases of homing. We use the lab-rat' s strong attachment to its home cage to study whether brains maintain an online home vector. We show, that the parasubiculum and medial entorhinal cortex do not have an explicit home vector representation, and that the presence of home did not affect global encoding of space. However, we do find that grid cells are distorted by the home or other geometrical features affecting the internal environment. In the third chapter, I study navigation in an interspecies role-playing game. We played 'Hide and Seek' with rats and found that they acquired the game easily and played by the rules. Rats were strategic and developed game specific vocalizations patterns. We recorded from the medial prefrontal cortex and found that neurons respond sharply to different phases of the game, and may encode as well the context in which this events take place. By emphasizing ethological approaches and free behaviors this thesis contributes to an increased understanding of the neural underpinnings of navigation in the mammalian brain.

Toxoplasmose ist weltweit eine der am häufigsten auftretenden parasitären Zoonosen mit einer geschätzten Infektionsrate von über 30%. Toxoplasma gondii (Phylum: Apicomplexa) besitzt ein Plastid ähnliches Organell, den Apicoplasten. In diesem befindet sich das einzig bekannte Redoxsystem, welches aus der Ferredoxin-NADP+-Reduktase und Ferredoxin (Fd) besteht. Fd als Elektonendonator liefert Elektronen an verschiedene essentielle Stoffwechselwege, wie der Isoprenoidvorstufen- und Liponsäuresynthese. Um die bei einem Elektronentransfer benötigte direkte Protein-Protein-Interaktion eingehend zu analysieren, wurde ein bakterielles Reverse Two Hybrid System verwendet, womit die Interaktion von TgFd und TgLipA gezeigt werden konnte. Da angenommen wird, dass Fd eine zentrale Rolle in verschiedenen Stoffwechselwegen übernimmt, ist für einen Fd Knockout ein komplexer biochemischer Phänotyp zu erwarten, der möglicherweise zum Absterben der Parasiten führt. Zur Untersuchung dessen wurden zwei komplementäre Wege verfolgt. Eine der Strategien basierte auf dem grundsätzlichen Nachweis, dass Fd unerlässlich für das Überleben von T. gondii ist. Mit Hilfe des DiCre Systems sollte ein definierter genetischer Fd Knockout hergestellt werden, welcher jedoch nicht zweifelsfrei generiert werden konnte. Bei der zweiten Strategie kam ein konditionales Knockdown System zur Anwendung, bei welchem die Expression des Fd Gens nach Induktion herabreguliert wird. Mit Hilfe dessen konnten weitreichende Auswirkungen der Fd Defizienz auf T. gondii gezeigt werden: die Fettsäuresynthese der im Apicoplasten synthetisierten Fettsäuren ist reduziert sowie die Motilität durch eine beeinträchtigte Isoprenoidsynthese verringert, wodurch insgesamt drastische Auswirkungen auf das Parasitenwachstum gezeigt werden konnten. Beide Stoffwechsel sind vom Elektronendonator Fd abhängig und durch die Fd Herabregulation betroffen. Die Ergebnisse unterstreichen die essentielle Rolle des Fd-Redoxsystems von T. gondii. / Toxoplasmosis is one of the most common parasitic zoonoses world-wide, around 30% of human beings are infected. Toxoplasma gondii (phylum: Apicomplexa) contains a unique intracellular organelle derived from plastids, called apicoplast. The only known redox system in the apicoplast consists of the ferredoxin NADP+-reductase and its redox partner, ferredoxin (Fd). The latter donates electrons to different essential metabolic pathways in the apicoplast like the last two enzymes of the isoprenoid precursor biosynthesis and the lipoic acid synthesis. To dissect protein protein interactions for an electron transfer a bacterial reverse two hybrid system was used. The physical interaction of both proteins TgFd and TgLipA could be shown. Fd is supposed to play an important role in diverse metabolic pathways, hence a knock-out of the Fd gene is expected to generate a complex biochemical phenotype and be lethal to the parasite. Therefore two complementary approaches were used to analyze the role of TgFd in this context. The first strategy shall verify the essentiality of TgFd for the survival of T. gondii. It is based on the DiCre system whereby a defined genetic knock out of TgFd is produced. Respectives parasites have been generated, but at the end no genetic Fd knock out could be produced. In the second approach a conditional knock-down was generated, where the expression of the TgFd gene is repressed after induction. The Fd deficiency has wide ranging effects on T. gondii: The fatty acid synthesis of the apicoplast-synthesized fatty acids is reduced as well as the motility is decreased due to an affected isoprenoid synthesis. In total this leads to a dramatic inhibition of parasite growth. Both metabolic pathways depend upon the electron carrier Fd and thus are affected by Fd deficiency. The results underline the essential role of the ferredoxin redoxsystem of T. gondii.