Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a lethal, progressive neurodegenerative disorder that selectively affects both upper and lower motor neurons, leading to muscle weakness, paralysis and death. Despite recent advances in the identification of genes associated with ALS, the quest for a sensitive biomarker for rapid and accurate diagnosis, prognosis, and treatment response monitoring has not been fulfilled. In this thesis, I report a method of quantifying the integrity of motor neurons in vivo using imaging to record uptake and retrograde transport of intramuscularly injected tetanus toxin fragment C (TTC) into spinal motor neurons. This method tracks and profiles progression of disease (transgenic SOD1G93A and PFN1 ALS mice) and detects subclinical perturbations in net transport, as analyzed in C9orf72 transgenic mice. It also defines a progressive reduction in net transport with aging. To address whether our technique enables drug development, I evaluated therapeutic benefits of (1) gene editing and (2) mutant gene silencing (with RNAi targeting SOD1) in SOD1G93A transgenic mice by characterizing their net axonal transport profiles. I constructed a computational model to evaluate key molecular processes affected in net axonal transport in ALS mouse model. The model allows prediction of key parameters affected in a C9ORF72 BAC transgenic mouse line. Prior immunization with tetanus toxoid does not preclude use of this assay, and it can be used repetitively in the same subject. This assay of net axonal transport offers broad clinical application as a diagnostic tool for motor neuron diseases and as a biomarker for rapid detection of benefit from therapies for transport dysfunction in a range of motor neuron diseases.

Objective: Brain-computer interfaces (BCIs) aimed at restoring communication to people with severe neuromuscular disabilities often use event-related potentials (ERPs) in scalp-recorded EEG activity. Up to the present, most research and development in this area has been done in the laboratory with young healthy control subjects. In order to facilitate the development of BCI most useful to people with disabilities, the present study set out to: (1) determine whether people with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and healthy, age-matched volunteers (HVs) differ in the speed and accuracy of their ERP-based BCI use; (2) compare the ERP characteristics of these two groups; and (3) identify ERP-related factors that might enable improvement in BCI performance for people with disabilities. Methods: Sixteen EEG channels were recorded while people with ALS or healthy age-matched volunteers (HVs) used a P300-based BCI. The subjects with ALS had little or no remaining useful motor control (mean ALS Functional Rating Scale-Revised 9.4 (±9.5SD) (range 0-25)). Each subject attended to a target item as the items in a 6. ×. 6 visual matrix flashed. The BCI used a stepwise linear discriminant function (SWLDA) to determine the item the user wished to select (i.e., the target item). Offline analyses assessed the latencies, amplitudes, and locations of ERPs to the target and non-target items for people with ALS and age-matched control subjects. Results: BCI accuracy and communication rate did not differ significantly between ALS users and HVs. Although ERP morphology was similar for the two groups, their target ERPs differed significantly in the location and amplitude of the late positivity (P300), the amplitude of the early negativity (N200), and the latency of the late negativity (LN). Conclusions: The differences in target ERP components between people with ALS and age-matched HVs are consistent with the growing recognition that ALS may affect cortical function. The development of BCIs for use by this population may begin with studies in HVs but also needs to include studies in people with ALS. Their differences in ERP components may affect the selection of electrode montages, and might also affect the selection of presentation parameters (e.g., matrix design, stimulation rate). Significance: P300-based BCI performance in people severely disabled by ALS is similar to that of age-matched control subjects. At the same time, their ERP components differ to some degree from those of controls. Attention to these differences could contribute to the development of BCIs useful to those with ALS and possibly to others with severe neuromuscular disabilities.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by the death of motor neurons, generally leading to paralysis and death within 3-5 years of onset. Over 50 different mutations in the gene encoding FUS/TLS (or FUS) will result in ALS, accounting for ~4% of all inherited cases. FUS is a multifunctional protein with important functions in DNA/RNA processing and stress response. How these mutations affect the structure or function of FUS protein and ultimately cause ALS is not known. The fact that mutations cause the protein to mislocalize from the nucleus to the cytoplasm of cells suggests that ALS pathogenesis may occur through a loss of nuclear function, gain of toxic cytoplasmic function, or both. Several FUS knockout animal models have been utilized for investigating a loss of function hypothesis and show phenotypes such as early lethality, reduced lifespan, and locomotor defects. To uncover cellular pathways affected by loss of FUS function, I have characterized the knockdown of FUS in a motor neuron-like cell line, NSC-34. In NSC-34 cells, the depletion of FUS severely impacts cellular proliferation and potentially causes increased levels of DNA damage. A quantitative proteomics analysis performed on cells undergoing various degrees of FUS knockdown revealed protein expression changes for known RNA targets of FUS, consistent with a loss of FUS function with respect to RNA processing. Proteins that changed in expression as a function of FUS knockdown were associated with vii multiple processes, some of which influence cell proliferation including cell-cycle regulation, cytoskeletal organization, oxidative stress and energy homeostasis. Importantly, cellular proliferation could be rescued by the re-expression of FUS and by treatment with the small-molecule, rolipram, indicative of potential therapeutic approaches. Collectively, the work presented in this dissertation demonstrates the importance of FUS for cell health and homeostasis, is suggestive of a role for FUS in DNA damage repair and identifies additional cellular pathways influenced by FUS depletion. Overall, this work provides mechanistic insight into ALS pathogenesis through loss of FUS/TLS function.

Mutations in profilin 1 (PFN1) cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a fatal neurodegenerative disease that targets motor neurons. PFN1 is a 15 kDa protein that is best known for its role in actin dynamics. However, little is known about the pathological mechanisms of PFN1 in ALS. In this dissertation, it is demonstrated that certain familial ALS-linked mutations severely destabilize the native conformation of PFN1 in vitro and cause accelerated turnover of the PFN1 protein in neuronal cells. This mutation-induced destabilization can account for the high propensity of ALS-linked variants to aggregate and also provides rationale for their reported functional defects in cell-based assays. The source of this destabilization is illuminated by the crystal structures of several PFN1 proteins, revealing an expanded cavity near the protein core of one ALS variant and predicting a non-surface exposed cavity in another. Functional biochemical experiments point to abnormalities in actin filament nucleation and elongation caused by PFN1 mutants. In HeLa cells, PFN1 is essential for the generation of actin-rich filopodia and expression of mutant PFN1 alters filopodia density further supporting a pathogenesis mechanism involving actin cytoskeleton. Taken together, this dissertation infers that the pathogenesis of ALS due to mutations in PFN1 can be mediated at least by two possibly related mechanisms, a destabilization of the native PFN1 structure and an impact on the actin assembly processes.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disease characterized by preferential motor neuron death in the brain and spinal cord. The rapid disease progression results in death due to respiratory failure, typically within 3-5 years after disease onset. While ~90% of cases occur sporadically, remaining 10% of ALS cases show familial inheritance, and the number of genes linked to ALS has increased dramatically over the past decade. FUS/TLS (Fused in Sarcoma/ Translocated to liposarcoma) is a nucleic acid binding protein that may regulate several cellular functions, including RNA splicing, transcription, DNA damage repair and microRNA biogenesis. More than 50 mutations in the FUS gene are linked to 4% of familial ALS, and many of these may disrupt the nuclear localization signal, leading to variable amounts of FUS accumulation in the cytoplasm. However, the mechanism by which FUS mutants cause motor neuron death is still unknown. The studies presented in this dissertation focused on investigating the properties of FUS mutants in the absence and presence of stress conditions. We first examined how ALS-linked FUS mutants behaved in response to imposed stresses in both cell culture and zebrafish models of ALS. We found that FUS mutants were prone to accumulate in stress granules in proportion to their degree of cytoplasmic mislocalization under conditions of oxidative stress, ER stress, and heat shock. However, many FUS missense mutants are retained predominantly in the nucleus, and this suggested the possibility that these mutants might also perturb one or more nuclear functions. In a human cell line expressing FUS variants and in human fibroblasts from an ALS patient, mutant FUS expression was associated with enlarged promyelocytic leukemia nuclear bodies (PML-NBs) under basal condition. Upon oxidative insult with arsenic trioxide (ATO), PML-NBs in control cells increased acutely in size and were turned over within 12-24 h, as expected. However, PML-NBs in FUS mutant cells did not progress through the expected turnover but instead continued to enlarge over 24 h. We also observed a persistent accumulation of the transcriptional repressor Daxx and the 11S proteasome regulator in association with these enlarged PML-NBs. Furthermore, the peptidase activities of the 26S proteasome were decreased in FUS mutant cells without any changes in the expression of proteasome subunits. These results demonstrate that FUS mutant expression may alter cellular stress responses as manifested by (i) accumulation of mutant FUS into stress granules and (ii) inhibition of PML-NB dynamics. These findings suggest a novel nuclear pathology specific to mutant FUS expression that may perturb nuclear homeostasis and thereby contribute to ALS pathogenesis.

The hallmark feature of many neurodegenerative diseases, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS), is the accumulation of cytoplasmic inclusions of key disease-linked proteins. Two of these proteins, TDP-43 and SOD1, represent a significant proportion of sporadic and familial ALS cases, respectively. The population of potentially aggregation-prone partially-folded states on the folding free-energy landscape may serve as a common mechanism for ALS pathogenesis. A detailed biophysical understanding of the folding and misfolding energy landscapes of TDP-43 and SOD1 can provide critical insights into the design of novel therapeutics to delay onset and progression in ALS. Equilibrium unfolding studies on the RNA recognition motif (RRM) domains of TDP-43 revealed the population of a stable RRM intermediate in RRM2, with residual structure localized to the N-terminal half of the domain. Other RRM domains from FUS/TLS and hnRNP A1 similarly populate RRM intermediates, suggesting a possible connection with disease. Mutations, which enhance the population of the RRM2 intermediate, could serve as tools for deciphering the functional and misfolding roles of this partially-folded state in disease models, leading to the development of new biomarkers to track ALS progression. ALS mutations in SOD1 have been shown to destabilize the stable homodimer to result in increased populations of the monomeric and unfolded forms of SOD1. Mechanistic insights into the misfolding of SOD1 demonstrated that the unfolded state is a key species in the initiation and propagation of aggregation, suggesting that limiting these populations may provide therapeutic benefit to ALS patients. An in vitro time-resolved Förster Resonance Energy Transfer assay to screen small molecules that stabilize the native state of SOD1 has identified several lead compounds, providing a pathway to new therapeutics to treat ALS.

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Post-translational modifications (PTMs) of proteins can be a sign and/or cause of disease. These modified proteins have the potential to be used as biomarkers for diagnostic purposes. However, research in the field is limited. The challenge of having an accessible way of diagnosing patients in time and at a low cost is crucial to improve public health. Blood samples or other non-invasive methods to detect diseases such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, Amyotrophic lateral sclerosis and cancers are of urgent need. This report investigates PTMs as possible biomarkers measurable in biofluids, such as blood, for diagnosis and prognosis. Biomarkers like phospho-tau and amyloid-beta are examined in the context of neurodegenerative diseases, as well as phosphorylations on neurofilaments, TAR DNA-binding protein 43 and α-synuclein. All of these are detectable in blood. Several PTMs with connection to different types of cancers are also investigated, such as F3-phosphopeptide and AFP-L3. It was found that many biomarkers for the detection of cancers can potentially be found in extracellular vesicles in blood. Methods such as ELISA, PEA, SomaScan, xMAP, SIMOA and mass spectrometry (MS) are all now available on the market to quantify these PTMs. MS has revolutionized the fields of protein detection in the past and has further evolved to being capable of protein quantification. ELISA has been prevalent for decades and laid the groundwork for improved methods such as xMAP and SIMOA that are easy to use and provide adequate sensitivity. SomaScan and PEA lead the way in dynamic range and multiplexing capacity with around 7000 and 3000 protein assays. The soon-to-be-released technology NULISA, with promising values in sensitivity and dynamic range, is also investigated here. Additionally, a written ethical analysis regarding the process and consequences of biomarker quantification through these technologies was performed. Although the investigated biomarkers are detectable in biofluids, using them as clinical diagnostic markers still poses a challenge, which is why further research in the field is needed. Through an increased knowledge of PTMs of proteins and the right use of platforms, clinical diagnostics and population screenings can be done more efficiently improving public health around the world.

Der Palmomentalreflex (PMR) wird im Allgemeinen als Primitivreflex und kortikales Enthemmungszeichen (frontal release sign) gedeutet. Erstmals wurde er bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) beschrieben und mit einer Schädigung der kortikobulbären Trakte assoziiert. Auch ein Zusammenhang mit kognitiven Veränderungen wird diskutiert. Diese spielen bei der ALS neben motorischen Defiziten mittlerweile eine ebenso wichtige Rolle. Ziel der vorliegenden prospektiven monozentrischen Querschnittsstudie war es, den Einfluss motorischer und neurokognitiver Dysfunktionen auf das Auftreten eines PMR in der ALS zu untersuchen. Hierfür wurden 97 Patienten mit ALS und ALS-Varianten eingeschlossen und in Abhängigkeit des PMR untereinander verglichen. Der PMR wurde in einem standardisierten Verfahren klinisch getestet. Das neurokognitive Profil wurde mithilfe des Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) erhoben. Die Krankheitsschwere und motorische Affektion wurden anhand der revidierten ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) und einer standardisierten klinischen Untersuchung ermittelt. In 52 % aller Patienten konnte ein pathologischer PMR nachgewiesen werden. Diese Patienten zeigten im Vergleich zu Patienten ohne PMR signifikant häufiger klinische Zeichen einer motorischen Dysfunktion in der bulbären Region. Eine systematische Untersuchung mithilfe einer adaptierten Form des Sydney Facial Grading System konnte zudem signifikante Beeinträchtigungen der bulbär-innervierten mimischen Muskulatur bei Patienten mit pathologischem PMR aufdecken. Allerdings konnte die vorliegende Arbeit entgegen bisherigen Annahmen keine Korrelation mit einer isolierten Schädigung des oberen Motoneurons in der bulbären Region bestätigen. In der ALSFRS-R schnitten Patienten mit PMR schlechter in bulbären, aber auch in spinal-respiratorischen Funktionen ab. Das kognitive Leistungsprofil des ECAS zeigte für Patienten mit PMR signifikant niedrigere Durchschnittswerte im ALS-spezifischen Teil, in der Subdomäne der exekutiven Funktionen und der ECAS Gesamtwertung. Auch unter Berücksichtigung der alters- und bildungsadaptierten Cut-Off-Werten war deren Anteil mit kognitiven Defiziten in jenen Teilergebnissen höher. Ferner erbrachte die Verhaltens- und Psychose-Befragung bei Patienten mit PMR Hinweise auf eine Häufung von Verhaltensauffälligkeiten. Eine multivariate Regressionsanalyse legte einen signifikanten Einfluss von bulbär-motorischen Schädigungszeichen, niedrigeren Werten spinal-respiratorischer Funktionen der ALSFRS-R und Beeinträchtigungen exekutiver Funktionen für das Auftreten eines PMR dar. Dabei war der motoneuronale Schaden in der Bulbärhirnregion der stärkste Prädiktor. In der Studie konnte damit gezeigt werden, dass ein motoneuronaler Schaden in der nach den El-Escorial-Kriterien definierten bulbären Region einen deutlich stärkeren Einfluss im Vergleich zu exekutiven Funktionsstörungen auf das Auftreten eines PMR hat. Bei dem Krankheitsbild der ALS scheint er daher primär ein klinisches Zeichen eines motorischen Schadens in der bulbären Region und nur in geringerem Maße exekutiver Dysfunktion zu sein. In unklaren diagnostischen Situationen könnte der PMR daher als zusätzlicher klinischer Marker herangezogen werden, um eine motoneuronale Schädigung in der bulbären Region oder eine exekutive Funktionsstörung aufzudecken.:I. Abkürzungsverzeichnis I II. Abbildungsverzeichnis II III. Tabellenverzeichnis IV 1 Einleitung 1 1.1 Der Palmomentalreflex 1 1.1.1 Allgemeine Definition 1 1.1.2 Epidemiologie des PMR 1 1.1.3 Neuroanatomische Grundlagen des PMR 3 1.1.4 Klinische Bedeutung 5 1.2 Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) 6 1.2.1 Definition 6 1.2.2 Einteilung und klinische Phänotypen 7 1.2.2.1 Spinaler Beginn 7 1.2.2.2 Bulbärer Beginn 8 1.2.2.3 Varianten der ALS 9 1.2.2.3.1 Progressive Muskelatrophie (PMA) 9 1.2.2.3.2 Primäre Lateralsklerose (PLS) 10 1.2.2.3.3 Flail-Arm-Syndrom und Flail-Leg-Syndrom 10 1.2.2.3.4 Progressive Bulbärparalyse und Pseudobulbärparese 11 1.2.2.3.5 Axiale und respiratorische ALS 12 1.2.2.3.6 Hemiplegische und pseudopolyneuritische ALS 12 1.2.3 Krankheitsprogress und Erkrankungsschwere der ALS 13 1.2.4 ALS und kognitiv-behaviorale Veränderungen 13 1.2.5 Kognitions- und Verhaltenserfassung bei der ALS 15 1.2.5.1 Diagnostische Kriterien nach Strong et al. 15 1.2.5.2 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 15 1.3 Fragestellungen 17 2 Material und Methoden 18 2.1 Studiendesign und Patientenkollektiv 18 2.1.1 Ein- und Ausschlusskriterien 18 2.1.2 Patientengruppen nach revidierten El-Escorial-Kriterien 18 2.2 Klinisch-neurologische Untersuchung 20 2.2.1 Untersuchung der zervikal- und lumbosakral-innervierten Muskulatur 20 2.2.1.1 Evaluation der Kraftgrade 20 2.2.1.2 Evaluation des Reflexstatus 22 2.2.2 Untersuchung der bulbär-innervierten Muskulatur 23 2.3 Untersuchung des PMR 25 2.3.1 Auslösbarkeit des PMR 26 2.3.1.1 Uni- oder bilaterale Reflexantwort 26 2.3.1.2 Habituation 26 2.3.1.3 Reflexzonenerweiterung 26 2.4 Bewertung des PMR 27 2.5 Die revidierte ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 28 2.6 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 30 2.7 Statistische Auswertung 32 3 Ergebnisse 33 3.1 Demographische Daten 33 3.1.1 Gesamtkohorte 33 3.1.2 Kohorten 33 3.2 ALS Phänotypen 34 3.3 Erstmanifestationsort der Erkrankung 36 3.4 Bulbäre Region 37 3.4.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der bulbären Region 38 3.5 Zervikale Region 40 3.5.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der zervikalen Region 41 3.6 Lumbosakrale Region 43 3.6.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der lumbosakralen Region 44 3.7 Der PMR und eine Affektion des 1. bzw. 2. Motoneurons 46 3.8 Funktionsprüfung der mimischen Muskulatur 48 3.9 Ergebnisse des Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 50 3.9.1 Ergebnisse der durchschnittlichen kognitiven Leistungen des Gesamtkollektivs 50 3.9.2 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion des Gesamtkollektivs nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten 50 3.9.3 Spezifität und Sensitivität der Subscores bezüglich der ECAS Gesamtpunktzahl 51 3.9.4 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des ALS-spezifischen Teils 52 3.9.5 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des nicht-ALS-spezifischen Teils 52 3.9.6 ECAS - ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 53 3.9.7 ECAS - nicht-ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 54 3.9.8 ECAS Teil- und Gesamtergebnisse in Abhängigkeit des PMR 55 3.9.9 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten in Abhängigkeit des PMR 56 3.9.10 Ergebnisse der ECAS Verhaltens- und Psychose-Befragung 59 3.10 Ergebnisse der revidierten ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 61 3.10.1 Durchschnittswert in der ALSFRS-R des Gesamtkollektivs 61 3.10.2 Durchschnittswert in der ALSFRS-R in Abhängigkeit des PMR 61 3.11 Einflussfaktoren auf das Auftreten des PMR 63 3.11.1 Univariate logistische Regressionsanalyse mit der Zielvariable PMR 63 3.11.2 Bivariate Korrelationen, Prüfung auf Multikollinearität und Modellformulierung 65 3.11.3 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen, exekutiver Dysfunktionen und der ALSFRS-RS auf das Auftreten des PMR 66 4 Diskussion 68 4.1 Patienten und Methoden 68 4.2 Motoneuronale Schädigung und der PMR 70 4.3 Die ALSFRS-R und der PMR 73 4.4 Kognitiv-behavoriale Veränderungen im ECAS und der PMR 73 4.5 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen und kognitiver Dysfunktionen auf den PMR 76 4.6 Schlussfolgerung und Ausblick 76 4.7 Limitationen der Studie 77 5 Zusammenfassung 79 6 Abstract 81 7 Literaturverzeichnis 82 8 Aus der Arbeit hervorgegangene Publikationen 95 9 Danksagung 96 10 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 97 11 Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben 98 / The palmomental reflex (PMR) is commonly interpreted as a primitive reflex and a sign of cortical disinhibition (frontal release sign). It has originally been described in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and attributed to lesions of corticobulbar tracts. A relation to cognitive changes is also discussed, which play an essential role in ALS besides motor deficits. The aim of this prospective cross-sectional monocenter study was to investigate the impact of motor and neurocognitive impairment on the appearance of PMR in ALS patients. 97 patients with ALS and ALS variants were enrolled and compared among each other regarding PMR. PMR was clinically examined in a standardized procedure. To assess the cognitive profile the Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) was performed. Disease severity and affection of motor system were evaluated by the revised ALS functional rating scale (ALSFRS-R) and standardized clinical examination. In 52 % of all patients pathological PMR was present. These patients showed significantly more frequent motor dysfunction in bulbar region than patients without PMR. By applying an adapted version of the Sydney Grading System a systematic examination revealed significant impairment of bulbar-innervated facial muscles in patients with pathological PMR. However, contrary to previous assumptions, this study could not confirm a correlation with isolated upper motor neuron involvement in the bulbar region. In ALSFRS-R, patients with PMR performed worse for bulbar functions as well as for spinal and respiratory functions. The neurocognitive profile of the ECAS revealed significantly lower average values in the ALS-specific sub score, its subdomain of executive functions and ECAS total score for patients with PMR. In consideration of age- and education-adapted cut off values published by Loose et al., the proportion with cognitive deficits in above mentioned scores was also higher in patients with PMR. Furthermore, a behavioral and psychosis assessment detected indications of behavioral impairment in patients with PMR. In a multivariate regression analysis, motor dysfunction in the bulbar region, lower scores for spinal and respiratory functions in ALSFRS-R and impaired executive functions had an impact on the appearance of PMR, while motor dysfunction in the bulbar region being the strongest predictor. This study hereby presented that motor dysfunction in the bulbar region based on El-Escorial criteria has a much stronger impact on PMR than executive dysfunctions. Therefore, PMR is suggested to be primarily a sign of bulbar involvement and, to a lesser degree, of executive dysfunction in ALS. As an additional clinical marker, PMR may help to define bulbar involvement or executive dysfunction in unclear situations.:I. Abkürzungsverzeichnis I II. Abbildungsverzeichnis II III. Tabellenverzeichnis IV 1 Einleitung 1 1.1 Der Palmomentalreflex 1 1.1.1 Allgemeine Definition 1 1.1.2 Epidemiologie des PMR 1 1.1.3 Neuroanatomische Grundlagen des PMR 3 1.1.4 Klinische Bedeutung 5 1.2 Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) 6 1.2.1 Definition 6 1.2.2 Einteilung und klinische Phänotypen 7 1.2.2.1 Spinaler Beginn 7 1.2.2.2 Bulbärer Beginn 8 1.2.2.3 Varianten der ALS 9 1.2.2.3.1 Progressive Muskelatrophie (PMA) 9 1.2.2.3.2 Primäre Lateralsklerose (PLS) 10 1.2.2.3.3 Flail-Arm-Syndrom und Flail-Leg-Syndrom 10 1.2.2.3.4 Progressive Bulbärparalyse und Pseudobulbärparese 11 1.2.2.3.5 Axiale und respiratorische ALS 12 1.2.2.3.6 Hemiplegische und pseudopolyneuritische ALS 12 1.2.3 Krankheitsprogress und Erkrankungsschwere der ALS 13 1.2.4 ALS und kognitiv-behaviorale Veränderungen 13 1.2.5 Kognitions- und Verhaltenserfassung bei der ALS 15 1.2.5.1 Diagnostische Kriterien nach Strong et al. 15 1.2.5.2 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 15 1.3 Fragestellungen 17 2 Material und Methoden 18 2.1 Studiendesign und Patientenkollektiv 18 2.1.1 Ein- und Ausschlusskriterien 18 2.1.2 Patientengruppen nach revidierten El-Escorial-Kriterien 18 2.2 Klinisch-neurologische Untersuchung 20 2.2.1 Untersuchung der zervikal- und lumbosakral-innervierten Muskulatur 20 2.2.1.1 Evaluation der Kraftgrade 20 2.2.1.2 Evaluation des Reflexstatus 22 2.2.2 Untersuchung der bulbär-innervierten Muskulatur 23 2.3 Untersuchung des PMR 25 2.3.1 Auslösbarkeit des PMR 26 2.3.1.1 Uni- oder bilaterale Reflexantwort 26 2.3.1.2 Habituation 26 2.3.1.3 Reflexzonenerweiterung 26 2.4 Bewertung des PMR 27 2.5 Die revidierte ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 28 2.6 Der Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 30 2.7 Statistische Auswertung 32 3 Ergebnisse 33 3.1 Demographische Daten 33 3.1.1 Gesamtkohorte 33 3.1.2 Kohorten 33 3.2 ALS Phänotypen 34 3.3 Erstmanifestationsort der Erkrankung 36 3.4 Bulbäre Region 37 3.4.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der bulbären Region 38 3.5 Zervikale Region 40 3.5.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der zervikalen Region 41 3.6 Lumbosakrale Region 43 3.6.1 Differenzierte Motoneuronaffektion in der lumbosakralen Region 44 3.7 Der PMR und eine Affektion des 1. bzw. 2. Motoneurons 46 3.8 Funktionsprüfung der mimischen Muskulatur 48 3.9 Ergebnisse des Edinburgh Cognitive and Behavioral ALS Screen (ECAS) 50 3.9.1 Ergebnisse der durchschnittlichen kognitiven Leistungen des Gesamtkollektivs 50 3.9.2 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion des Gesamtkollektivs nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten 50 3.9.3 Spezifität und Sensitivität der Subscores bezüglich der ECAS Gesamtpunktzahl 51 3.9.4 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des ALS-spezifischen Teils 52 3.9.5 Spezifität und Sensitivität der Einzeldomänen des nicht-ALS-spezifischen Teils 52 3.9.6 ECAS - ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 53 3.9.7 ECAS - nicht-ALS-spezifische Funktionen in Abhängigkeit des PMR 54 3.9.8 ECAS Teil- und Gesamtergebnisse in Abhängigkeit des PMR 55 3.9.9 Prävalenz und Profil der kognitiven Dysfunktion nach alters- und bildungskorrigierten Cut-Off-Werten in Abhängigkeit des PMR 56 3.9.10 Ergebnisse der ECAS Verhaltens- und Psychose-Befragung 59 3.10 Ergebnisse der revidierten ALS Functional Rating Scale (ALSFRS-R) 61 3.10.1 Durchschnittswert in der ALSFRS-R des Gesamtkollektivs 61 3.10.2 Durchschnittswert in der ALSFRS-R in Abhängigkeit des PMR 61 3.11 Einflussfaktoren auf das Auftreten des PMR 63 3.11.1 Univariate logistische Regressionsanalyse mit der Zielvariable PMR 63 3.11.2 Bivariate Korrelationen, Prüfung auf Multikollinearität und Modellformulierung 65 3.11.3 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen, exekutiver Dysfunktionen und der ALSFRS-RS auf das Auftreten des PMR 66 4 Diskussion 68 4.1 Patienten und Methoden 68 4.2 Motoneuronale Schädigung und der PMR 70 4.3 Die ALSFRS-R und der PMR 73 4.4 Kognitiv-behavoriale Veränderungen im ECAS und der PMR 73 4.5 Einfluss bulbär-motorischer Schädigungszeichen und kognitiver Dysfunktionen auf den PMR 76 4.6 Schlussfolgerung und Ausblick 76 4.7 Limitationen der Studie 77 5 Zusammenfassung 79 6 Abstract 81 7 Literaturverzeichnis 82 8 Aus der Arbeit hervorgegangene Publikationen 95 9 Danksagung 96 10 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 97 11 Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben 98

Le réseau neuronal se base sur l’axone et les dendrites pour former des milliards de connexions, ce qui fait du cerveau l'une des structures les plus complexes existantes. Pour que ce réseau fonctionne bien, il doit être régulé et maintenu. Cela pose de grands défis au cerveau lors du vieillissement, particulièrement dans le cadre d’une maladie neurodégénérative. Les premiers symptômes de plusieurs maladies neurodégénératives corrèlent d’ailleurs plus fréquemment avec le début de la dégénérescence axonale qu’avec la mort cellulaire des neurones. Une meilleure compréhension des mécanismes qui régulent cette dégénérescence axonale pourrait permettre de trouver de nouveaux traitements potentiels agissant dans la phase précoce de la manifestation de ces maladies. Dans cette thèse, nous étudions les mécanismes de dégénérescence et régénérescence axonale impliqués dans la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la maladie de Huntington (MH) en utilisant le nématode Caenorhabditis elegans (C. elegans). Nous nous basons sur les connaissances acquises sur les régulateurs de la régénérescence axonale pour investiguer leur implication et leur potentiel thérapeutique dans la SLA et la MH. Le C. elegans permet d’étudier la dégénérescence axonale dans le cadre des maladies neurodégénératives, puisque la visualisation des axones par fluorescence en facilite l’étude in vivo. Les modèles transgéniques C. elegans de la SLA et de la MH démontrent des bris axonaux pathologiques spontanés lors du vieillissement, permettant ainsi d’évaluer les mécanismes qui influencent cette dégénérescence axonale. Le modèle C. elegans permet aussi de mener des études à plus grande échelle. Nous avons donc pu effectuer un criblage génétique d’environ 40 gènes connus pour être des inhibiteurs de la régénérescence axonale après un dommage axonal mécanique. Selon notre hypothèse, l’inhibition de gènes inhibiteurs de la régénérescence axonale devrait augmenter le potentiel régénérateur des axones et, ainsi, réduire la dégénérescence axonale caractéristique de notre modèle SLA. Effectivement, nous avons pu identifier plusieurs voies de signalisation capables de réduire la dégénérescence axonale pathologique, notamment Dual zipper kinase DLK, la régulation des phosphoinositides et la signalisation de stress des ARNt par le stalled ribosome sensor GCN1. La voie de signalisation de DLK est indispensable dans la régénérescence axonale. Il a été démontré que sa suractivation permet de stimuler la régénérescence. Nous avons prouvé que la suractivation de DLK-1 par l’inhibition de ses inhibiteurs RPM-1 et FSN-1 réduit la dégénérescence axonale ainsi que la paralysie dans le contexte de la SLA. Pour évaluer la meilleure approche thérapeutique, nous avons investigué plus en détail les différents membres de cette voie de signalisation. Ainsi, nous avons trouvé que l’inhibition génétique et, surtout pharmacologique, de PARP1 et PARP2 peut réduire la dégénérescence axonale dans nos modèles de la SLA et de la MH. Les inositol polyphosphate phosphatases (INPP) sont des régulateurs des messagers secondaires d’inositol phosphates et de phosphatidylinositols, qui agissent dans la même voie de signalisation que PTEN, un inhibiteur de régénérescence axonale bien documenté. Dans nos études, nous avons identifié des nouvelles approches et cibles génétiques afin de réduire la dégénérescence axonale reliée à l’ALS et la MH. En résumé, nous avons identifié de multiples gènes qui agissent dans des voies de signalisation qui régulent la dégénérescence axonale, spécifiquement lors du vieillissement, dans le cadre de l’ALS et la MH. Il est primordial de mieux comprendre la signalisation intrinsèque qui régule l’axonopathie dans les maladies neurodégénératives pour établir de nouvelles approches thérapeutiques. Dans cette thèse, nous avons donc identifié plusieurs cibles thérapeutiques potentielles dans la voie de signalisation de DLK, et dans la voie de signalisation des phosphatidylinositols. / The neural network relies on axons and dendrites to form billions of connections, making the brain one of the most complex structures. These connections are both stable and highly dynamic, keeping the network in place while allowing connections to be modulated as needed. This network must be perfectly regulated and maintained for proper functioning, which can be a great challenge for the brain during aging and in the context of neurodegenerative diseases. Indeed, most neurodegenerative diseases show some form of degeneration of their axonal projections in the early stages. Increasingly, it is observed that the first symptoms of many neurodegenerative disorders correlate with the onset of axonal degeneration rather than cell death of neurons. A better understanding of the mechanisms regulating this axonal degeneration could lead to new treatments that could act in this particularly interesting therapeutic window. In this thesis, we aimed to study the genetic mechanisms of axonal degeneration involved in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and Huntington's disease (HD). More specifically, we investigated if axonal regeneration-associated genes can be targeted to reduce or even repair the age-dependent axonal damage observed in ALS and HD. To do this, we used Caenorhabditis elegans (C. elegans) models of ALS and HD, as they reproduce age-dependent axonal degeneration well. In addition, the use of fluorescent markers allows the visualization of axons in living animals, which makes it a unique model to study in vivo the dynamics of axonal damage and degeneration. We hypothesized that the stimulation of axonal regeneration pathways should increase the regenerative potential of axons and thus reduce the axonal degeneration characteristic of our ALS and HD models. Another advantage of using C. elegans is the possibility of large-scale genetic screens, allowing us to perform an RNAi-based genetic screen of 40 genes known as inhibitors of axonal regeneration. We identified multiple genes that act as drivers of axonal degeneration. Further analysis allowed us to identify an age-specific signaling network that regulates axonal degeneration through several main pathways, such as the Dual zipper kinase DLK pathway, the regulation of phosphatidylinositol phosphate, and the tRNA-related GCN1 stress response. The DLK signaling pathway is essential for axonal regeneration, and its overactivation has been shown to stimulate regeneration. We demonstrated that overactivation of DLK-1 by inhibiting its inhibitors RPM-1 and FSN-1 reduces axonal degeneration and paralysis in ALS. Furthermore, amongst the DLK pathway, we identified that genetic and pharmacological inhibition of PARP1/2 can consistently reduce axonal degeneration in our models of ALS and HD. Furthermore, we identified that the dysregulation of membrane-bound phosphoinositides is another major regulator of age-dependent axonal degeneration. We identified therapeutic targets similar to PTEN, a well-documented inhibitor of axonal regeneration and modulator of neurodegeneration. In our studies, we identified an alternative therapeutic target to PTEN and a new approach to trat ALS and HD-related axonal degeneration. In summary, we have identified multiple genes acting in an age-dependent network that drives axonal degeneration in ALS and HD. A better understanding of the intrinsic signaling that regulates axonopathy in neurodegenerative diseases is essential to establish new therapeutic approaches. In this thesis, we identified several potential therapeutic targets in the DLK signaling pathway and in the phosphoinositide signaling pathway.