Synaptische Vesikel (SV) besitzen abhängig vom Neurontyp unterschiedliche Neurotransmittertransporter. In glutamatergen Neuronen kommen die vesikulären Glutamattransporter (VGLUT)1, VGLUT2 und VGLUT3 vor. GABAerge Neurone besitzen den vesikulären GABA-Transporter (VGAT). Die getrennte Glutamat- und GABA-Speicherung in unterschiedlichen Neuronen dient dem exakten Funktionieren neuronaler Netze. Mitunter setzen glutamaterge Neurone auch GABA frei. Einige entscheidende Proteine GABAerger Nervenendigungen wurden auf dem Protein- und mRNA-Niveau nachgewiesen. GABAerge Transmission glutamaterger Neurone wurde elektrophysiologisch gezeigt. Diese Studie untersucht eine mögliche VGLUT/VGAT-Kolokalisation mittels Immunisolierungen (II) von SV (SP), Neurotransmitteraufnahmeversuchen mit aufgereinigten SV, SP und der elektronenmikroskopischen Postembeddingmethode. II aus dem Rattengehirn zeigen, dass die VGLUT1-SP VGLUT2 und die VGLUT2-SP auch VGLUT1 enthält. Beide VGLUT kommen auf dem selben SV vor. Die VGLUT2-SP beinhaltet VGAT- und die VGAT-SP VGLUT2-tragende SV. SP aus frühen Entwicklungsstadien zeigen bereits eine ausgeprägte vesikuläre VGLUT2/VGAT- Kolokalisation. SV der VGAT-SP akkumulieren GABA und Glutamat. Die Hemmung der VGLUT zeigt ihren unterstützenden Einfluss auf die vesikuläre GABA- und Monoaminaufnahme. Damit moduliert die VGLUT-Aktivität die Neurotransmitterspeicherung in nicht glutamatergen Neuronen. Doppelmarkierung im Postembeddingverfahren zeigen die synaptische VGLUT/VGAT- Kolokalisation in glutamatergen hippokampalen und cerebellären Moosfaserendigungen. Dagegen ist VGAT weder in den nur VGLUT1-positiven cerebellären Parallelfaser- noch in den nur VGLUT2-positiven Kletterfaserendigungen detektierbar. Die cerebellären GABAergen Korbzellenendigungen beinhalten auch VGLUT2. Diese Befunde liefern den morphologischen Beweis für die synaptische GABA/Glutamat-Koausschüttung aus speziellen großen glutamatergen und GABAergen präsynaptischen Endigungen. / Synaptic vesicles (SV) are equipped with a common set of proteins. Dependent on the type of nerve cell SV differ in their neurotransmitter transporters, i.e. the vesicular glutamate transporters (VGLUT) 1 and VGLUT2 in types of glutamatergic neurons and the vesicular GABA transporter (VGAT) in types of GABAergic neurons. The strict separation of glutamate and GABA storage generally guarantees the precise function of neuronal networks. However, GABA may be released by glutamatergic neurons under certain conditions as shown by electrophysiological studies. The project aims to analyse a putative vesicular and synaptic co-localisation of VGLUT and VGAT using immunoisolations, neurotransmitter uptake assays, and post-embedding electron microscopy. Immunoisolations from whole brain of adult rats revealed that VGLUT1 immunoisolates (ii) contain VGLUT2 and VGLUT2-ii also have VGLUT1 indicating the vesicular co-localisation of both VGLUT. VGLUT2-ii harbour in addition VGAT and VGAT-ii also contain VGLUT2. Transporter-specific ii from rat brain at different postnatal levels (P5/15/30) show a pronounced vesicular co-localisation of VGLUT2 and VGAT during these early developmental stages. Transmitter uptake studies show GABA and also glutamate concentrating VGAT-ii. Using the specific inhibitor trypan blue we found that VGLUT activity improves GABA as well as monoamine uptake into SV. Thus VGLUT activity modulates transmitter storage in non-glutamatergic neurons. Post-embedding immunogold double labelling indicates a synaptic co-localisation of VGLUT and VGAT in glutamatergic hippocampal and cerebellar mossy fibre terminals while VGAT was not seen in cerebellar parallel fibre (VGLUT1-positive only) and climbing fibre (VGLUT2-positive only) terminals. Remarkably, cerebellar GABAergic basket cell terminals also contain VGLUT2. These findings provide the morphological evidence for a synaptic co-release of GABA and glutamate from some large glutamatergic and GABAergic terminals.

Diese Arbeit beschäftigt sich sowohl mit der experimentell motivierten Fragestellung nach der Kontrolle der Einzelzellaktivität kortikaler Neurone sowie mit der theoretischen Beschreibung der neuronalen Dynamik und ihrer Transfereigenschaften anhand einfacher Neuronenmodelle. Hierfür werden in-vivo Daten, die mit Hilfe der juxtazellulären Stimulation mit weißem bandpass limitiertem Gaußschem Rauschen erhoben wurden, verwendet. Mit Parameterfits einfacher Neuronenmodelle werden die experimentell ermittelten Pulszugstatistiken sowie die präzisen Zeitpunkte der einzelnen Aktionspotentiale quantitativ reproduziert. Diese Untersuchungen zeigen, dass mit dynamischen Rauschstimuli in juxtazellulärer Stimulation verlässlich und reproduzierbar Pulszüge in einzelnen kortikalen Neuronen hervorgerufen werden können. Weiterhin offenbart die Analyse der Daten die Eigenschaft der untersuchten Neurone frequenzunabhängig, bishin zu Vielfachen der Feuerrate des Neurons, Information über Signalkomponenten zu transferieren. Diese Eigenschaft steht im Widerspruch zum Verhalten der einfachsten (und populärsten) integrate-and-fire Modelle, die die Zelle ohne Auflösung ihrer räumlichen Struktur näherungsweise beschreiben. Die Erweiterung solcher Ein-Kompartiment Modelle auf ein Zwei-Kompartiment Modell und die damit eingeführte Unterscheidung zwischen Soma und Dendrit ermöglicht es, für einzelne Neuronen sämtliche experimentell erhobenen Statistiken, einschließlich des Hochfrequenz- Transfers, quantitativ zu reproduzieren. Zusätzlich zu den obigen Untersuchungen wird eine Methode vorgestellt, um, anhand von Input-Output Statistiken konkreter Neurone, Gaußsche Stimuli zu berechnen, die in der jeweiligen Zelle einen vorgeschriebenen Pulszug hervorrufen. In Experimenten und Simulationen wird gezeigt, dass diese vorgeschriebenen Pulszüge mit einer Verlässlichkeit erzeugt werden können, die in etwa der intrinsischen Verlässlichkeit des untersuchten Neurons entspricht. / This work elaborates on the question to which extent experimental control about the activity of single cortical neurons can be achieved and deals with the theoretical description of the neuronal dynamics. To this end, in-vivo data that have been recorded from juxtacellular experiments in cortical neurons are used. By means of parameter optimization, simple neuron models are fitted in order to quantitatively reproduce the measured spike train statistics and specific action potential timings. The analysis reveals that dynamic noise-stimuli can be used in juxtacellular stimulation to reliably generate reproducible spike trains in single cortical neurons. The analysis also reveals that the cells show a marked broadband coding of information, up to frequencies that are multiples of the firing rate of the respective neuron. This is in contrast to what is known for the simplest (and most popular) integrate-and-fire models, for which the cellular dynamics are described by a single space-independent variable. The extension of these one-compartment models to two-compartment models introduces a spatially distinction between soma and dendrite and we could show that for particular neurons it is sufficient to quantitatively reproduce all experimentally measured spike-train and input-output statistics, including the highfrequency information-transfer. Therefore, the effect of the spatial structure can be an important (structural) mechanism that can have influence on the neuronal dynamics. Additionally to the above considerations, by means of input-output statistics of particular neurons, we propose a method to compute Gaussian stimuli that are supposed to evoke prescribed spike trains in the respective neuron. Using experiments and simulations, we show that the prescribed spike trains can be evoked with a reliability that is comparable to the intrinsic reliability of the neuron under investigation.

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Zentralnervensystem der Säugetiere. Die präzise Kontrolle des extrazellulären Glutamatspiegels ist für eine normale synaptische Transmission wichtig und erforderlich, um die Neurone vor Exzitotoxizität zu schützen. Im Gehirn sorgen vor allem verschiedene hochaffine Na+-abhängige Glutamattransporter für diese Kontrolle. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb untersucht, welchen Einfluß die Inhibition der Glutamattransporter auf die exzitatorische synaptische Transmission in Schicht III, einer Region in der bei Alzheimer-Demenz, Schizophrenie und Epilepsie häufig Zellschädigungen und Zellverluste beobachtet werden, und Schicht V des medialen entorhinalen Kortex (mEC) hat. Extrazelluläre Messungen in den Schichten III und V der Ratte zeigten, daß die verwendeten Transport-Inhibitoren signifikant die negativen Feldpotentialkomponenten beider Schichten reduzierten. Schichtspezifische Unterschiede konnten dabei nicht festgestellt werden, was auf eine ähnliche Glutamatregulation in beiden Schichten schließen läßt. Für die anschließenden intrazellulären und patch-clamp Messungen wurden aus diesem Grund nur noch Neurone der Schicht III untersucht. Beide Transport-Inhibitoren (L-trans-2,4-PDC und DL-TBOA) reduzierten die Amplituden der pharmakologisch isolierbaren EPSPs/EPSCs ohne die Kinetik zu beeinflussen. Diese reduzierende Wirkung konnte durch trans-(±)-ACPD, einen Agonisten der Gruppe I und II metabotropen Glutamatrezeptoren (mGluRs), nachgeahmt werden. Die Vorinkubation der Hirnschnitte mit dem unspezifischen Gruppe I und II mGluR-Antagonisten MCPG verhinderte die durch trans-(±)-ACPD hervorgerufene Amplitudenreduktion und auch den reduzierenden Effekt der beiden Transport-Inhibitoren. In nachfolgenden Experimenten mit dem spezifischen Gruppe II mGluR-Antagonisten EGLU konnte dieser zwar die durch L-trans-2,4-PDC hervorgerufene Wirkung verhindern, nicht aber den durch DL-TBOA vermittelten Effekt, was auf eine Aktivierung von Gruppe I mGluRs hinweist. Zusätzlich führte die Applikation von DL-TBOA zu einer signifikanten Veränderung des Doppelpuls-Index, was auf einen präsynaptischen Wirkmechanismus hinweist. Die Applikation von L-trans-2,4-PDC hingegen hatte keinen Effekt auf den Doppelpuls-Index. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sprechen dafür, daß beide Transport-Inhibitoren die erregende synaptische Transmission über eine Aktivierung präsynaptischer metabotroper Glutamatrezeptoren der Gruppen I und II hemmen. Dabei konnte festgestellt werden, daß diese Hemmung unter Applikation von DL-TBOA die präsynaptische Transmitterausschüttung über einen negativen Rückkopplungsmechanismus durch Aktivierung von Gruppe I mGluRs vermindert, während L-trans-2,4-PDC seine Wirkung vor allem über eine Aktivierung der Gruppe II vermittelt. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß L-trans-2,4-PDC in der benutzten Konzentration die mGluRs der Gruppe II direkt aktivieren kann und der Effekt nicht nur präsynaptisch vermittelt wird. / Glutamate is the primary excitatory neurotransmitter in the mammalian central nervous system. The precise control of extracellular glutamate is crucial for the maintenance of normal synaptic transmission and the prevention of excitotoxicity. High-affinity glutamate transporters ensure termination of glutamatergic neurotransmission and keep the synaptic glutamate concentration below excitotoxic levels. In layer III, a region that is especially prone to cell damage in Alzheimer's disease, schizophrenia and epilepsy, and layer V of the medial entorhinal cortex (mEC) effects of blocking glutamate uptake on excitatory synaptic transmission were studied. Extracellular recordings in rat brain slices revealed that application of glutamate uptake inhibitors significantly reduced stimulus-induced negative field potentials in both, layer III and V of the mEC. This effect showed no significant differences in both layers suggesting a similar glutamate regulation in layer III and V. Therefore, only layer III neurons of the mEC were used for the subsequent intracellular and patch-clamp recordings. Two competitive glutamate transporter antagonists, DL-TBOA and L-trans-2,4-PDC, reduced the amplitude of pharmacologically isolated EPSPs/EPSCs without changing the time course of the events. This effect was mimicked by trans-(±)-ACPD, an agonist of group I and II metabotropic glutamate receptors (mGluRs). The competitive group I and II mGluR antagonist MCPG blocked the depression of the EPSC amplitude induced by trans-(±)-ACPD and also masked the effect of either DL-TBOA or L-trans-2,4-PDC. Furthermore, EGLU, which selectively antagonizes group II mGluRs, masked the effect of L-trans-2,4-PDC but not that of DL-TBOA, indicating an involvement of group I mGluRs in the latter case. Finally, DL-TBOA significantly enhanced the paired-pulse index, suggesting a presynaptic mechanism for the depression of EPSP/EPSC amplitude, whereas application of L-trans-2,4-PDC had no significant effect on the paired-pulse behaviour. The present study shows that both transport inhibitors depress pharmacologically isolated EPSPs/EPSCs in layer III neurons of the mEC in combined entorhinal-hippocampal slices. This effect seems to be mediated via activation of different groups of mGluRs. The results suggest that DL-TBOA causes a negative feedback on glutamate release via indirect activation of presynaptic group I mGluRs, possibly due to an accumulation of glutamate, whereas application of L-trans-2,4-PDC most likely leads to an activation of presynaptic group II mGluRs reducing Ca2+-independent release. The latter might be due to a direct action of L-trans-2,4-PDC at these receptors. The present data suggest that blockade of glutamate transport in the mEC does not lead to an excessive accumulation of glutamate because of a counteractive autoinhibiting mechanism.

Die Tryptophanhydroxylase (TPH) katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Synthese des wichtigen Neurotransmitters Serotonin. Kürzlich wurde ein zweites TPH-Isozym, die TPH2, entdeckt. Es stellte sich heraus, dass dieses Isozym für die Serotoninsynthese im Zentralnervensystem verantwortlich ist, wohingegen die TPH1 lediglich der Ausgangspunkt der Serotoninsynthese in den peripheren Geweben ist. Da Störungen im Serotoninstoffwechsel mit einer Vielzahl von psychiatrischen Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, rückt nun die als neuronales Enzym identifizierte TPH2 in den Fokus der Forschung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass TPH1 und 2 sich nicht nur in ihren Expressionsorten sondern auch in ihren grundlegenden biochemischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die TPH1 stellte sich als aktiveres der beiden Enzyme heraus. Der N- und C-Terminus der TPH2 konnten als auf die Aktivität des Enzyms inhibierend bzw. aktivierend wirkende Strukturen identifiziert werden und stellen damit interessante Angriffspunkte für die pharmakologische Beeinflussung dar, wobei der N-Terminus als TPH2-spezifische Struktur eine gezielte Beeinflussung des serotonergen Systems im Zentralnervensystem ohne Auswirkungen auf das periphere System ermöglichen würde. In weiteren Projekten konnte die Existenz von mindestens zwei, die Enzymaktivität nicht beeinflussenden Proteinkinase A-Phosphorylierungsstellen in der TPH2 nachgewiesen werden, es konnte ein auf einem fluorometrischen Prinzip basierender High-Throughput-Assay zur Bestimmung der TPH-Aktivität entwickelt werden, Tubulin beta2A wurde als Interaktionpartner der TPH2 identifiziert, die Auswirkungen eines in vitro aktivitätssenkenden Tph2-SNPs auf die Serotoninlevel und das Verhalten verschiedener Mausstämme konnte durch die Generierung und Untersuchung von congenen Mäusen als unbedeutend eingestuft werden und die Expression von TPH1-mRNA wurde als Marker für endometriale Karzinome identifiziert. / Tryptophan hydroxylase (TPH) catalyzes the rate limiting step of the synthesis of the important neurotransmitter serotonin. Recently a new TPH isoenzyme, TPH2, was discovered. It turned out that this isoenzyme is responsible for the serotonin synthesis within the central nervous system, whereas the TPH1 is merely the starting point of serotonin synthesis in peripheral tissues. Since dysfunction in the metabolism of serotonin is related to a large number of psychiatric diseases, the neuronal TPH2 moved into the centre of interest. As a basis for the pharmacological manipulation of the central nervous serotonergic system, without influencing the periphery, the identification of differences between the two isoenzymes is essential. In this thesis it was shown that TPH1 and 2 not only differ in their expression sites but also in their basic biochemical characteristics. TPH1 turned out to be the more active enzyme. Furthermore it was shown that the N- and C-termini of TPH2 have an inhibitory respectively activating influence on the enzymatic activity. Therefore they became interesting targets for pharmacological interference, whereas the N-terminus as a TPH2 specific structure would facilitate the manipulation of the central nervous serotonergic system without exerting influence on the peripheral system. In further projects the existence of at least two protein kinase A phosphorylation sites could be verified, whereas the phosphorylation doesn’t seem to have any influence on the enzymatic activity, a high throughput assay for determination of TPH activity, based on a fluorometric principle, was developed, Tubulin beta2A was identified as a TPH2 interaction partner, the effect of a SNP in the Tph2 gene that decreases the TPH2 activity in vitro on the serotonin level and the behaviour of different mouse strains could be rated as insignificant by the generation of congenic mice und the expression of TPH1 mRNA was identified as a marker for endometrial cancer.

Die Wanderung von Leukozyten aus dem Gefäßlumen läuft in einer Kaskade ab, die durch verschiedene Adhäsionsmoleküle vermittelt wird. Dabei wird der erste Kontakt der Leukozyten mit dem Endothel durch die Interaktion von L­Selektin mit seinen endothelialen Sialomucinliganden eingeleitet. Neben seiner Adhäsionsfunktion kann L­Selektin intrazelluläre Signalwege aktivieren und wird, induziert durch intrazelluläre Signale, an seinen cytoplasmatischen Serinresten durch Proteinkinase C (PKC) phosphoryliert. Über die Regulation dieser Serinphosphorylierung von L-Selektin ist nur wenig bekannt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der cytoplasmatischen Interaktion von L-Selektin mit dem Proteinphosphatase 2A-Inhibitor PhapII und die Identifizierung noch unbekannter Interaktionspartner der cytoplasmatischen Domäne von L­Selektin. Es konnte gezeigt werden, dass das basische Duplett Lys-365/Arg-366 der cytoplasmatischen Domäne von L-Selektin essentiell für die Bindung von PhapII ist, die über den sauren C­Terminus von PhapII vermittelt wird. In einem Malachitgrün-basierten Phosphataseassay konnte gezeigt werden, dass die cytoplasmatischen Serinreste von L­Selektin durch Protein Phosphatase 2A (PP2A) dephosphoryliert werden. Ferner konnte in Jurkat-Zelllysaten PP2A als ein direkter Interaktionspartner von nicht phosphoryliertem LScyto identifiziert werden. Die Dephosphorylierung von LScyto konnte durch PhapII verhindert werden, was auf eine Regulation der Serinphosphorylierung durch PKC, PP2A und PhapII hindeutet. Mit dem Ziel, die Interaktion von PhapII mit L-Selektin durch Co-Kristallisation zu untersuchen, wurde PhapII rekombinant exprimiert und gereinigt. Mittels chromatographischer Verfahren konnte PhapII als ein Protein mit intrinsischer Unordnung in seiner Sekundärstruktur beschrieben werden. Die Deletion des sauren C-Terminus bzw. die Mutation an Serin-9 von PhapII zeigten einen Einfluss auf die Konformation von PhapII zu einer kompakteren Proteinstruktur hin. / Migration of leukocytes from the lumen occurs in a cascade mediated by different members of adhesion molecules. The first contact of leukocytes to endothelium is initiated by the interaction of L­selectin to its endothelial sialomucin ligands. Besides its role in cell adhesion, L­selectin can induce a set of intracellular signaling pathways and can be a target of serine phosphorylation by protein kinase C (PKC) induced by intracellular signals. But little information on regulation of this serine phosphorylation of L-selectin and therefore regulation of intracellular protein interactions is known. The aim of this thesis was to analyze the cytoplasmic interaction of L-selectin with the inhibitor of protein phosphatise 2A PhapII and searching for other unknown interaction partners of the cytoplasmic domain of L-selectin. Results show that the basic doublet Lys-365/Arg-366 of the cytoplasmic domain of L­selectin (Lscyto) is essential for binding to PhapII which is mediated by the acidic C­terminal tail of PhapII. Using malachite green based assay to detect free phosphate, cytoplasmic serine residues of L­selectin were dephosphorylated by protein phosphatase 2A (PP2A). In addition, it was possible to identify PP2A as a direct interaction partner of the non-phosphorylated domain of L­selectin in Jurkat T cell lysates. The dephosphorylation of Lscyto was prevented by PhapII and points the regulation of serine phosphorylation by PKC, PP2A and PhapII. For analysis of the interaction of PhapII with L-selectin by co-crystallography, PhapII was recombinantly expressed and purified. Using chromatographic techniques PhapII was observed to be a protein with an intrinsic disorder in its secondary structure. Deletion of the acidic C-terminus and in particular mutation of Serine-9 showed an effect on the conformation of PhapII to a globular and compact protein structure.

Der neuronale Zelluntergang bei einer Vielzahl von Krankheiten des ZNS, wie z.B. Morbus Alzheimer (AD) und Temporallappenepilepsie (TLE), wird mit oxidativem Stress sowie Fehlfunktionen von Kaliumkanälen in Verbindung gebracht. In dieser Studie soll die selektive neuronale Sensitivität auf oxidativen Stress durch die Messung der oxidativen Modulation von Kaliumströmen untersucht werden. Dabei werden sternförmige Neuronen der zweiten Schicht des entorhinalen Kortex (EC) (bei AD bereits früh geschädigt) mit pyramidalen Neuronen der dritten Schicht des EC (früh geschädigt bei TLE) sowie hippocampalen pyramidalen Neuronen der CA1 Region (bei AD und TLE erst spät geschädigt) miteinander verglichen. Mittels patch-clamp Ganzzellmessung zeigt diese Studie die differentielle Hemmung spannungsabhängiger transienter (IA) und „delayed-rectifier“ K+-Ströme (IK(V)) durch Arachidonsäure (AA) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Die intrazelluläre Applikation von AA (1 pM) reduzierte IA in Neuronen des entorhinalen Kortex signifikant stärker verglichen mit Neuronen des CA1. ETYA imitiert diesen Effekt, dies schliesst die Metabolite der AA als Mediatoren des Effekts auf Kaliumkanäle aus. Weder AA noch ETYA reduzierten IK(V). Im Gegensatz dazu reduzierte H2O2 IA in Neuronen des CA1 effektiver als in Neuronen der Schichten II und III des entorhinalen Kortex. Die Reduktion des IA, vermittelt durch AA, wurde durch Radikalfänger (Glutathion, Ascorbinsäure, Vitamin E Analogon Trolox) blockiert. Dabei verstärkten manche dieser Antioxidantien den Effekt der AA, dies legt eine komplexere Modulation dieser Ströme in Schnitten verglichen mit Kulturen nahe. Dies sollte bei der Entwicklung antioxidativer Therapien von AD und TLE berücksichtigt werden. Bei der heterologer Expression von Kv1.4 und Kv4.2 in HEK-293 Zellen wurden funktionelle Kanäle gebildet und A-Typ Ströme ausgelöst. Diese Ströme wurden nach der Applikation von 1 pM AA stark reduziert. ROS scheinen neben ihrer zellschädigenden Wirkung physiologische Prozesse zu regulieren, indem sie eine Reihe von Signalwegen beeinflussen. Da spannungsabhängige Kaliumkanäle vielen wichtigen zellulären Funktionen zugrundeliegen, könnte die Modulation dieser Kanäle durch ROS einen Mechanismus für die Feinabstimmung zellulärer Prozesse darstellen. / Oxidative stress and dysfunction of potassium channels are believed to play a role in neuronal death in a number of CNS diseases (e.g. Alzheimer’s disease, epilepsy). The present study addresses selective neuronal vulnerability to oxidative stress by studying oxidative modulation of potassium channels in entorhinal cortex (EC) layer II stellate neurons (cell loss early in AD) and layer III pyramidal neurons (early damage in TLE), in comparison to hippocampal CA1 pyramidal neurons (late damage in TLE and AD). Using whole-cell patch-clamp, differential inhibition of transient IA and delayed rectifier K+-currents IK(V) by arachidonic acid (AA) and H2O2 was demonstrated. Intracellular AA (1 pM) reduced IA in EC neurons significantly stronger than in CA1 neurons. AA affected the voltage dependence of steady-state inactivation as well. ETYA mimicked the effect of AA, excluding its metabolites as mediators of IA modulation. Neither AA nor ETYA reduced IK(V). In contrast, a non-lipid oxidizing agent, H2O2 reduced IA more effectively and robustly attenuated IK(V) in CA1, compared to EC neurons. AA-mediated reduction of IA was blocked by free radical scavengers (glutathione, ascorbic acid, Trolox). Antioxidants did not simply inhibit AA and H2O2 effects. In particular, they even enhanced AA effects, suggesting more complex modulation of these currents in slices, compared to culture. Moreover, intracellular antioxidants, themselves, influenced maximal conductance and voltage-conductance characteristics of IA and IK(V). This should be considered in design of anti-oxidative therapies in AD and TLE. Heterologous expression of Kv1.4 and of Kv4.2 cDNA in HEK-293 cells formed functional channels and elicited A-type currents, which shared similar biophysical characteristics with native IA from the hippocampus. These currents were strongly decreased upon administration of 1pM AA, demonstrating that at least one of multiple sites for AA action is situated on the pore-forming alfa-subunit of the A-channel. In conclusion, beside contribution to cell damage, ROS may regulate physiological processes by acting on different signalling pathways. Since voltage-gated K+-channels underlie many important cellular functions modulation of these channels by ROS would represent a mechanism for fine tuning of cellular processes.

Jede Zelle des Säugetierorganismus benötigt Eisen als Spurenelement für zahlreiche oxidativ-reduktive Elektronentransfer-Reaktionen und für Transport und Speicherung von Sauerstoff. Der Organismus unterhält daher ein komplexes Regulationsnetzwerk für die Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Eisen. Die intrazelluläre Regulation in den verschiedenen Zelltypen des Körpers ist mit einer globalen hormonellen Signalstruktur verzahnt. Sowohl Eisenmangel wie Eisenüberschuss sind häufige und ernste menschliche Krankheitsbilder. Sie betreffen jede Zelle, aber auch den Organismus als Ganzes. In dieser Dissertation wird ein mathematisches Modell des Eisenstoffwechsels der erwachsenen Maus vorgestellt. In ihm wird die Flussbilanz des Eisens in den wichtigsten Zelltypen in Form von transmembranalen und intrazellulären kinetischen Gleichungen dargestellt, und es werden diese Zellmodelle mit dem zentralen Eisenaustausch-Kompartiment (Blutplasma) des Körpers integriert. Der Eisenstatus wird charakterisiert als Gehalt an labil gebundenen Eisen und an ferritin-gebundenen Eisen für jede Zelle. Der Stoffwechsel wird als Netzwerk von Flussdynamik formuliert. Der experimentelle Input in dieses Modells stammt von verschiedenen Quellen. Radioaktive Tracerdaten, gemessen am intakten Tier (Mausstamm C57BL6 – das am intensivsten studierte Tiermodell) unter varrierten physiologischen Bedingungen lieferten den experimentellen Hintergrund, von dem aus Clearance-Parameter durch numerisches Fitting ermittelt wurden. Es wird gezeigt, dass das Modell mit entsprechend adaptierten Parametersätzen die wichtigsten metabolischen und regulatorischen Ereignisse in Übereinstimmung mit den Messungen darstellen kann. In Zukunft soll die quantitative Übereinstimmung mit Daten aus weiteren genetischen Rekonstruktionen (globale und zell-spezifische knock-outs und konstitutive Expression relevanter Gene des Modellorganismus Maus) hergestellt werden. / Every cell of the mammalian organism needs iron as trace element in numerous oxido-reductive processes as well as for transport and storage of oxygen. The mammalian organism maintains therefore a complex regulatory network of iron uptake, excretion and intra-body distribution. Here a mathematical model of iron metabolism of the adult mouse is presented. It formulates the iron flux balance of the most important cell types of the organism in the form of transmembraneous and intracellular kinetic equations and integrates these cell models with the central exchange compartment (blood plasma) of the body. The iron status is represented as content of labile iron and of ferritin-bound iron in every cell type, and the metabolism is formulated as a network of flux dynamics. The experimental input into the model stems from different sources. Radioactive tracer data measured in the intact animal (mouse strain C57BL6 - the most intensively studied animal model) under various physiological conditions provided the experimental background from which clearance parameters could be obtained by numerical parameter fitting. Future research should render more precise the quantitative representation of genetic reconstructions (global and cell-type-addressed knock-out and constitutive expression of relevant genes of the model mouse strain).

In der vorliegenden Arbeit wurde die Regulation der Aktivität der vesikulären Monoamintransporter VMAT1 und VMAT2 durch heterotrimere G-Proteine untersucht. In der humanen neuroendokrinen Zellinie BON werden VMAT1 und VMAT2 exprimiert. Sie colokalisieren in diesen Zellen mit der a-Untereinheit des heterotrimeren G-Proteins Go2 vorwiegend auf großen elektronendichten Vesikeln, den LDCVs. Die Aktivität beider Transporter unterliegt einer Regulation durch Gao2. Nach Aktivierung des G-Proteins kommt es zu einer Hemmung der vesikulären Monoaminaufnahme. Die Aktivität von VMAT2 wird dabei empfindlicher reguliert als die Aktivität von VMAT1. In Primärkulturen von Rapheneuronen der Ratte wird VMAT2 als neuronale Variante des Transporters exprimiert. VMAT2 lokalisiert in diesen Neuronen überwiegend auf kleinen synaptischen Vesikeln, den SSVs. Hier kommt es zu einer Colokalisation mit Gao2 auf diesem Vesikeltyp. Auch in Rapheneuronen wird die Aktivität von VMAT2 durch diese G-Protein Untereinheit gehemmt. Elektronenmikroskopische Befunde belegen die Lokalisation von VMAT2 und Gao2 auf SSVs von serotonergen Axonterminalen im präfrontalen Cortex der Ratte. An einer Präparation synaptischer Vesikel aus diesem Gehirnbereich konnte ebenfalls eine Hemmung der Transportaktivität von VMAT2 durch Gao2 nachgewiesen werden. Auch in Thrombozyten der Maus unterliegt die vesikuläre Serotoninaufnahme einer Hemmung durch ein heterotrimeres G-Protein. In chronisch entleerten Vesikeln aus Mäusen, in denen das Gen für die periphere Tryptophanhydroxylase deletionsmutiert vorlag, konnte zunächst keine Hemmung der Serotoninaufnahme durch heterotrimere G-Proteine beobachtet werden. Nach Vorbeladung der Vesikel mit Serotonin war dies jedoch der Fall. Die Aktivierung des G-Proteins wird somit sehr wahrscheinlich über den Füllungszustand der Vesikel gesteuert. / In this study we investigated the regulation of the activity of the vesicular monoamine transporters VMAT1 and VMAT2 by heterotrimeric G-proteins. In the human neuroendocrine cell line BON both transporters are expressed. They colocalize in these cells with the a-subunit of the heterotrimeric G-protein Go2 predominantely on Large Dense Core Vesicles (LDCVs). The activity of both VMAT1 and VMAT2 is regulated by Gao2. G-protein activation results in a down-regulation of vesicular monoamine uptake. VMAT2 appears to be more sensitive towards the observed G-protein regulation than VMAT1. Serotonergic raphe neurons in primary culture express VMAT2 as the neuronal form of the transporter. In these neurons VMAT2 predominantely localizes to Small Synaptic Vesicles (SSVs). Here, VMAT2 colocalizes with Gao2 on SSVs. In these neurons Gao2-dependent down-regulation of VMAT2 activity was observed, too. Immunoelectron microscopic analysis confirmed a localization of VMAT2 and Gao2 on SSVs from serotonergic terminals in the rat prefrontal cortex. In addition, Gao2-dependent regulation of VMAT2 activity could also be demonstrated when using a crude synaptic vesicle preparation of this brain area. Even in platelets obtained from mice the vesicular serotonin uptake is down-regulated by heterotrimeric G-proteins. In serotonin-depleted platelets from peripheral tryptophane-hydroxylase knockout mice no G-protein-dependent down-regulation of monoamine uptake was observed. After preincubation of the platelets with serotonin, the G-protein regulation was restored. Therefore, the vesicular transmitter content appears to be a likely factor of G-protein activation in platelets.

Die Eigenschaften einzelner Nervenzellen sind von grundlegender Bedeutung für die Verarbeitung von Informationen im Nervensystem. Neuronen antworten auf Eingangsreize durch Veränderung der elektrischen Spannung über die Zellmembran. Die Spannungsantwort wird dabei durch die Dynamik der Ionenkanäle in der Zellmembran bestimmt. In dieser Arbeit untersuche ich anhand von leitfähigkeits-basierten Modellneuronen den Einfluss von Ionenkanälen auf zwei Aspekte der Signalverarbeitung: die Frequenz-Selektivität sowie die Zuverlässigkeit und zeitliche Präzision von Aktionspotentialen. Zunächst werden die zell-intrinsischen Mechanismen identifiziert, welche the Frequenz-Selektivität und die Zuverlässigkeit bestimmen. Weiterhin wird untersucht, wie Ionenkanäle diese Mechanismen modulieren können, um die Integration von Signalen zu optimieren. Im ersten Teil der Arbeit wird demonstriert, dass der Mechanismus der unterschwelligen Resonanz, so wie er bisher für periodische Signale beobachtet wurde, auch auf nicht-periodische Signale anwendbar ist und sich ebenfalls in den Feuerraten niederschlägt. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit von Aktionspotentialen mit der Stimulusfrequenz variieren und dass, in Abhängigkeit davon, ob das Stimulusmittel über- oder unterhalb der Feuerschwelle liegt, zwei Stimulusregime unterschieden werden müssen. In beiden Regimen existiert eine bevorzugte Stimulusfrequenz, welche durch die Gesamtleitfähigkeit und die Dynamik spezifischer Ionenkanäle moduliert werden kann. Im dritten Teil wird belegt, dass Ionenkanäle die Zuverlässigkeit auch direkt über eine Veränderung der Sensitivität einer Zelle gegenüber neuronalem Rauschen bestimmen können. Die Ergebnisse der Arbeit lassen auf eine wichtige Rolle der dynamischen Regulierung der Ionenkanäle für die Frequenz-Selektivität und die zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit der Spannungsantworten schließen. / The properties of individual neurons are of fundamental importance for the processing of information in the nervous system. The generation of voltage responses to input signals, in particular, depends on the properties of ion channels in the cell membrane. Within this thesis, I employ conductance-based model neurons to investigate the effect of ionic conductances and their dynamics on two aspects of signal processing: frequency-selectivity and temporal precision and reliability of spikes. First, the cell-intrinsic mechanisms that determine frequency selectivity and spike timing reliability are identified on the basis of conductance-based model neurons. Second, it is analyzed how ionic conductances can serve to modulate these mechanisms in order to optimize signal integration. In the first part, the frequency selectivity of subthreshold response amplitudes previously observed for periodic stimuli is proven to extend to nonperiodic stimuli and to translate into firing rates. In the second part, it is demonstrated that spike timing reliability is frequency-selective and that two different stimulus regimes have to be distinguished, depending on whether the stimulus mean is below or above threshold. In both cases, resonance effects determine the most reliable stimulus frequency. It is shown that this frequency preference can be modulated by the peak conductance and dynamics of specific ion channels. In the third part, evidence is provided that ionic conductances determine spike timing reliability beyond changes in the preferred frequency. It is demonstrated that ionic conductances also exert a direct influence on the sensitivity of the timing of spikes to neuronal noise. The findings suggest an important role for dynamic neuromodulation of ion channels with regard to frequency selectivity and spike timing reliability.

Zentralnervöse Lernvorgänge hängen wesentlich von der Plastizität der synaptischen Übertragung ab. Synapsen verändern ihre Effizienz sowohl durch Änderungen in der Freisetzungswahrscheinlichkeit von Neurotransmittern als auch durch Variabilität der postsynaptischen Rezeptorausstattung. Darüberhinaus gibt es seit einiger Zeit Hinweise, dass auch die Konzentration des Neurotransmitters in synaptischen Terminalen variieren kann und dadurch die Freisetzungswahrscheinlichkeit von Vesikeln verändert wird. Um den Zusammenhang zwischen der Füllung synaptischer Vesikel und ihrer Dynamik im Vesikelzyklus besser zu verstehen, habe ich zunächst ein Computermodell entwickelt. Ich habe gefunden, dass nur eine Modifikation des Nachschubs von Vesikeln aus der Reservepopulation in die Population unmittelbar freisetzbarer Vesikel die experimentell gemessene Abhängigkeit der Freisetzungswahrscheinlichkeit von der präsynaptischen Transmitterkonzentration reproduzieren kann, nicht jedoch ein direkter Effekt auf die Freisetzungsrate. Einer der im Modell simulierten Mechanismen für den beobachteten Effekt des vesikulären Füllungszustandes auf die Vesikelfreisetzung besteht in einer Rückwirkung des freigesetzten Transmitters auf ionotrope Autorezeptoren. Diesen Mechanismus habe ich anschliessend an GABAergen Synapsen in der CA3-Region des Hippocampus untersucht. Tatsächlich habe ich durch patch-clamp Messungen herausgefunden, dass sowohl die Antwortwahrscheinlichkeit auf extrazelluläre Stimulation als auch die Frequenz von spontanen Vesikelfreisetzungen nach Applikation des GABAA Rezeptor-Agonisten Muscimol signifikant verringert ist. Diese Befunde weisen darauf hin, dass GABA seine eigene Freisetzung über ionotrope Autorezeptoren hemmt. Direkte Messungen der Vesikelfreisetzungen sind an GABAergen Synapsen nur durch bildgebende Verfahren möglich. Mit Hilfe von Zwei-Photonen Mikroskopie ist es mir erstmalig gelungen, im Hirnschnitt die spontane Fusion von Vesikeln zu untersuchen. Diese Methode könnte für eine Reihe von Fragestellungen relevant sein. Dabei hat sich gezeigt, dass nach Applikation von Muscimol die spontane Abnahme der Fluoreszenz vorher angefärbter synaptischer Vesikel ausschliesslich in perisomatischen (überwiegend GABAergen) synaptischen Boutons signifikant verringert ist. Zusammenfassend habe ich bei der experimentellen Prüfung von Vorhersagen eines Computermodells durch patch-clamp Untersuchungen und durch eine neue Methode mit funktioneller Bildgebung Hinweise auf funktionelle präsynaptische GABAA Rezeptoren an GABAergen Terminalen der CA3-Region des Hippocampus gefunden, die eine negative Rückwirkung auf die Freisetzung von Vesikeln ausüben. / Learning processes depend on synaptic plasticity. Synaptic efficacy depends both on the probability of transmitter release and on the variability of postsynaptic receptors. Furthermore, recent data suggest that the transmitter concentration in presynaptic terminals may be an additional variable influencing the release probability of synaptic vesicles. To better understand the relationship between vesicular filling and vesicular dynamics, I first developed a computer model. I found that only a modification of the replenishment of the readily releasable pool from a reserve pool reproduces the experimentally observed dependence of vesicular release on the presynaptic transmitter concentration, but not a direct effect on the release rate. One of the simulated mechanisms consists in a feedback of released transmitter on ionotropic autoreceptors. I investigated this mechanism in the CA3 region of the hippocampus. Indeed, using patch-clamp recordings I observed that application of the GABAA receptor agonist muscimol decreases significantly the response probability to extracellular stimulation as well as the frequency of spontaneous transmitter release. These results suggest that GABA inhibits its own release via ionotropic autoreceptors. Direct measurements of GABAergic vesicular release are only possible by imaging techniques. Using two-photon microscopy, I was (to my knowledge) the first one to investigate spontaneous vesicle fusion in brain slices. This method could be relevant to a variety of topics. I found out that application of muscimol leads to a significant decrease of fusion-associated fluorescence decay in perisomatic (mostly GABAergic) synaptic boutons. Taken together, I used patch-clamp recordings and a new application of two-photon microscopy to verify predictions of a computer model. The results suggest a negative feedback of GABA release via presynaptic GABAA receptors in the CA3 region of the hippocampus.