Gen-Umwelt-Interaktionen haben einen wichtigen Stellenwert für das Verständnis der Entstehung psychiatrischer Erkrankungen. Für die Catechol-O-Methyltransferase (COMT)konnte kürzlich gezeigt werden, dass diese die Gehirnaktivität moduliert, während der Verarberitung negativer Stimuli. Für positive Stimuli konnte kein Effekt nachgewiesen werden. In der vorliegenden Arbeit sollte nun geprüft werden, ob Lebensereignisse, als ein Umweltfaktor, für die emotionale Verarbeitung eine Rolle spielen. Um das herauszufinden untersuchten wir 81 gesunde Probanden mittels EEG während der Darbietung positiver und negativer emotionaler Bilder. Wie erwartet moduliert COMT die EPN (early posterior negativity) für negative Bilder, aber nicht für positive. Unter Berücksichtigung der Lebensereignisse konnte der fehlende Effekt der COMT bei der positiven Bedingung aufgelöst werden. Eine hohe Lebensereignis-Last führt dabei zu einer verminderten Gehirnaktivität für positive Stimuli, was sich aber nur für den Met/Met-Genotyp zeigt. Relevant scheint das vor allem für die Entwicklung von Depressionen zu sein, da depressive Patienten häufig ihre Umwelt als weniger positiv bewerten. / The interaction between genes and environment is highly relevant for our understanding of the development of psychiatric disorders. Recently it has been shown that the catechol-O-Methyltransferase genotype (COMT) modulates the brain activity during the processing of negative stimuli, but not for positive stimuli. Here we tested whether life stress, as an environmental factor, modulates this COMT genotype effect. Therefore, we measured the event-related brain potentials in 81 healthy subjects during the processing of positive and negative emotional pictures. As expected, we found that COMT modulates the neural correlates of emotional processing (the early posterior negativity, EPN), but only for negative and not for positive stimuli. Including the factor life stress we could explain this missing COMT effect for positive stimuli. We found that high life stress diminishes the positive evaluation of stimuli but only in subjects with the Met/Met genotype. This might be relevant for the development of depressions, as depressed patients often describe a lost of positive reinforcement.

Das Enzym Catechol-O- Methyltransferase (COMT) spielt eine wichtige Rolle beim Abbau der Neurotransmitter Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin. In dessen Gen befindet sich ein Polymorphismus (SNP), der einen Aminosäureaustausch von Valin zu Methionin an Position 158 der membrangebundenden Isoform bewirkt.. In früheren Studien zeigen die verschiedenen Genotypen des Polymorphismus Unterschiede in der emotionalen Verarbeitung, bei der die COMT Einfluss auf die Verarbeitung von negativen, aber nicht von positiven Stimuli zeigt. Neben emotionalen werden durch die COMT aber auch kognitive präfrontale Prozesse beeinflusst. Eine Aufmerksamkeitslenkung auf Bilder führt im Zeitfenster der EPN und LPP zu ähnlichen Effekten wie beim Betrachten emotionaler Bilder In dieser Studie sollte daher untersucht werden, ob die COMT- Effekte auf die Emotionsverarbeitung durch Aufmerksamkeitsprozesse begründet sind und diese unabhängig vom emotionalen Inhalt durch die Aufmerksamkeitsinstruktion auslösbar sind. Dafür wurden bei 48 gesunden und entweder Val/Val oder Met/Met- Homozygoten Probanden während der Präsentation von IAPS Bildern mit positiven, negativen und neutralen Bildern ein EEG abgeleitet. Und es wurde die neuronale Aktivierung bei emotionalen Stimuli, in Interaktion mit der Instruktion, die Aufmerksamkeit auf eine bestimmte emotionale Kategorie zu richten, untersucht. Dabei zeigten sich die erwarteten Emotions- und Aufmerksamkeitseffekte auf EPN und LPP. Keinen Einfluss hatte der COMT-Genotyp. Dies könnte an der Interferenz der Emotionseffekte mit kognitiven Effekten des COMT- Polymorphismus liegen. / The catechol-O-methyltransferase (COMT) is important for the degradation of dopamine and norepinephrine in the prefrontal cortex. It exists a common single nucleotide polymorphism causing a Val to Met substitution at amino acid position 158 with the Met variant displaying lower enzymatic activity. The Val variant is associated with an impaired cognitive performance but seems to provide increased emotional resilience against negative mood states. In previous studies a positive association was found between the number of Met variants and the functional brain activity for unpleasant but not for pleasant stimuli. With regard to the tonic-phasic dopamine model it is hypothesized that this increased reactivity to negative stimuli derives from deficient disengagement from negative stimuli. Processing of emotional cues is associated with similar ERP effects as observes for explicitily directed attention. The aim of this work was therefore to investigate whether the COMT- effects on emotional processing is due to a different allocation of attentional resources. 48 homozygous participants (Met/Met or Val/Val) viewed positive, neutral or negative pictures of the IAPS while recording an EEG and where asked to either count a specific stimoulus category or to simply view the stimuli. The expected effects for emotional and attentional processing was found for the EPN and LPP. No influence was found for the COMT genotype. A possible reason is the strong interaction between emotional processing and cognitive tasks regarding the COMT polymorphism.

In den vergangenen Jahren wurde vermehrt das Gen, welches für Catechol-O-Methyltransferase codiert, als starker Kandidat für ein erhöhtes Schizophrenierisiko diskutiert. Grund dafür ist die zentrale Rolle der Catechol-O-Methyltransferase beim Katecholaminabbau im menschlichen präfrontalen Cortex. Aufgrund der zunehmend akzeptierten Tatsache, daß die singuläre Betrachtung einzelner Marker bei der komplexen genetischen Textur von Kandidatengenen nur wenig zur Erhellung komplexer Erkrankungen beizutragen vermag (Licinio, 2003), untersuchten wir neben dem Val108/158Met-Polymorphismus (rs4680) vier weitere, die COMT-Gen-Region umspannende SNPs (rs2097603, rs740603, rs4818, rs165599) an einer Stichprobe von 459 Schizophrenen und 150 Kontrollpersonen. Zwar ergab sich für den Marker rs740603 auf Intron 1 eine signifikante Allel- (p = 0.0060) und Genotypassoziation (p = 0.019), der funktionelle Val108/158Met-Polymorphismus (rs4680) zeigte aber keinen signifikanten Zusammenhang mit der Erkrankung. Zudem fand sich in unserer Haplotypanalyse keine Markerkombination, die in überdurchschnittlichem Zusammenhang mit schizophrenen Psychosen stand. Für die Untergruppe der zykloiden Psychosen ließ sich bei einem p-Wert von 0.031 eine 4-Marker-Kombination ermitteln, die die SNPs rs740603, rs4818, rs4680 und rs165599 einschliesst und die Region von Intron 1 bis 3´-UTR umspannt. Zusätzlich ergab sich in der Subgruppe der zykloiden Psychosen ein geschlechtsspezifischer Effekt im Sinne eines signifikanten 3-Marker-Haplotypen (rs4818-rs4680-rs165599) (p = .0044) in der Gruppe der Frauen (n = 27) mit rs165599 als stärkstem Einzelmarker. Aufgrund des komplexen genetischen Zusammenhangs zwischen den untersuchten Markern und der Erkrankung sollte auch in der zukünftigen Forschung eine differenzierte Betrachtung der verschiedenen schizophrenen Zustandsbilder angestrebt werden, wie dies die Klassifikation nach Leonhard ermöglicht. Neben gewebsspezifischen Transkriptionsfaktoren könnten auch epigenetische Faktoren, wie die Cytosinmethylierung von CpG-Stellen in promotorregulierenden Regionen, einen Erklärungsansatz für die Entstehung schizophrener Störungsbilder darstellen. / Since several years, the gene encoding catechol-O-methyltransferase (COMT) at chromosome 22q11 is discussed as a strong candidate for schizophrenia susceptibility due to its key function in degredation of catecholamines in the prefrontal cortex, a critical region of the human brain, involved in cognitive control processes, monitoring of information in working memory and in active judgments on information (Petrides, 2005). To test the association of the COMT gene locus with schizophrenia, we analysed five SNPs (rs2097603, rs740603, rs4818, rs4680, rs165599) spanning from the P2 promotor region (MB-COMT) to the 3´-UTR in 459 index cases, which fulfilled diagnistic criteria of schizophrenia according to DSM IV as well as 150 blood donors as population controls. According to differentiated psychopathology (Leonhard, 1999) probands were categorized into cycloid psychosis, unsystematic schizophrenia and systematic schizophrenia prior to genotyping. In intron 1 the marker rs740603 showed significant allele (p = 0.0060) and genotype (p = 0.019) association, but the functional Val105/158Met variant (rs4680) failed significant association with disease. Considering COMT haplotypes none of the marker combinations showed evidence for an association with schizophrenia. In the subgroup of cycloid psychosis we found 4-locus marker combinations rs740603-rs4818-rs4680-rs165599 associated with disease at p-level 0.031, spanning a region from intron 1 to the 3´-UTR. In conclusion, the genetic interaction of COMT SNPs and haplotypes and schizophrenia susceptibility appears complex across different populations and psychopathological phenotypes. Particularly structures potentially involved in mRNA expression levels need further scrutiny.

Hintergrund: Das visuelle Arbeitsgedächtnis ist eine Leistung des präfrontalen Kortex (PFC) und dient der kurzfristigen Speicherung und Manipulation visueller Information. Ein aufgabenspezifisches Modell des visuellen Arbeitsgedächtnisses unterteilt zwei inhaltlich und örtlich getrennte Subsysteme: Das visuell-räumliche Arbeitsgedächtnis (SWM) scheint vor allem im dorsolateralen PFC (DLPFC) und das visuell-bildliche (OWM) im ventrolateralen PFC (VLPFC) lokalisiert zu sein. Der Dopaminabbau im PFC wird entscheidend von dem Enzym Catechol-O-Methyltransferase (COMT) bestimmt. Es existiert ein funktioneller COMT-Val158Met-Polymorphismus, der aufgrund veränderter Enzymaktivität mit unterschiedlicher dopaminerger Aktivität im PFC verbunden ist. Ziele: Das Aufgabendesign zielte darauf ab, die funktionelle Trennung von SWM und OWM im PFC nachzuweisen und die aufgabenspezifische Hypothese zu testen. Als zweites Ziel der Studie sollte der mögliche Einfluss des COMT-Val158Met-Polymorphismus auf die Arbeitsgedächtnisleistung getestet werden. Methoden: Es wurden 100 körperlich und psychisch gesunde Probanden in einer funktionellen Nah-Infrarot Spektroskopie-Studie (fNIRS-Studie) mit einem visuellen Arbeitsgedächtnisparadigma untersucht. Die NIRS-Messung beruht auf dem Prinzip der neurovaskulären Kopplung. Es wurde eine rechteckige 30*6 cm große Messhaube über dem frontalen Kortex platziert und die Veränderungen von O2Hb und HHb während des Paradigmas bestimmt. Anschließend wurde eine Genotypisierung durchgeführt. Ergebnisse und Diskussion: Zwischen den Arbeitsgedächtnisaufgaben zeigte sich ein deutlicher linearer Zusammenhang für die Verhaltensdaten. Das SWM-Paradigma führte zu einem O2Hb-Anstieg und HHb-Abfall im DLPFC, womit sich eine selektive Aktivierung dieses Areals bestätigte. OWM-Aufgaben hingegen führten zu einem parallelen Anstieg von O2Hb und HHb im VLPFC. Mit der fNIRS-Untersuchung konnten Vorbefunde der funktionellen Bildgebung bestätigt werden, die eine aufgabenspezifische Gliederung des visuellen Arbeitsgedächtnisses postulieren. Ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem COMT-Val158Met-Polymorphismus und dem Arbeitsgedächtnis konnte weder in den Verhaltensdaten noch in den Bildgebungsdaten nachgewiesen werden. Falls ein solcher Zusammenhang besteht, lag der fehlende Nachweis am ehesten in Task-Switching-Effekten des Studiendesigns begründet. / Objective: Visual working memory is an accomplishment of the prefrontal cortex (PFC), which serves the maintenance and manipulation of visual information over a short period of time. A ‘domain-specific’ model of visual working memory divides it into two functionally and spatially separated subsystems: Visual location-based memory (SWM) seems to be located in the dorsolateral PFC (DLPFC), visual objective-based memory (OWM) to be located in the ventrolateral PFC (VLPFC). The turnover of dopamine is critically tuned by the enzyme catechol-o-methyl-transferasis (COMT). There is a functional COMT-Val158Met-polymorphism which is associated with different dopaminergic levels in PFC due to a change in enzyme-activity. Aim: The task design was conceived to evaluate the functional dissociation of SWM and OWM in the PFC and to test the ‘dopamin-specific’ hypothesis. Secondly the study aims at testing the possible contribution of COMT-Val158Met-polymorphism to working memory. Methods: Therefore 100 somatically and mentally healthy subjects were assessed by an event-related functional near-infrared-study (fNIRS) with a visual working memory paradigm. The NIRS relies on the principle of neurovascular coupling. A 30*6 cm rectangle probeset was applied on the frontal cortex and changes in O2Hb and HHb were measured during the paradigms. After that, genotyping of the COMT-polymorphism was conformed. Results and Discussion: There was a significant linear dependence of working memory task in regard of behavioral data. SWM paradigm was accompanied by some increase in O2Hb and parallel decrease of HHb in the DLPFC which is in line with a selective activity of this area in SWM. OWM paradigm led to a parallel increase of O2Hb and HHb in the VLPFC. With the NIRS technique it was possible to replicate prior findings of functional imaging studies which postulated a ‘domain specific’ organization of the visual working memory. It was not possible however, to determine any connection between the COMT-Val158Met-polymorphism and the working memory in behavioral or functional imaging data. If there is such an interaction, the missing proof might be due to task-switching-effects in the design of the study.

Der präfrontale Kortex wird im Allgemeinen mit exekutiven Funktionen in Verbindung gebracht, die unter anderem Aufmerksamkeitskontrolle, Inhibition, Arbeitsgedächtnis oder die Erkennung und Bewertung neuartiger Reize beinhalten. Für die situationsgerechte Anpassung der verschiedenen Kontrollmechanismen ist in dieser Hirnregion, wie sich in zahlreichen Studien gezeigt hat, der Neurotransmitter Dopamin entscheidend. Dieser liegt, u.a. bedingt durch den Val108/158Met-Polymorphismus der Catechol-O-Methyl-Transferase, interindividuell in verschiedenem Ausmaß vor und sollte dadurch Unterschiede in präfrontalen Funktionen zwischen einzelnen Individuen maßgeblich beeinflussen. Ziel dieser Arbeit war es, diesen Einfluss mittels EEG und ereigniskorrelierten Potenzialen genauer zu bestimmen und zusätzlich herauszuarbeiten, welche kognitiven Prozesse genau durch den COMT-Genotyp beeinflusst werden. 60 gesunde Probanden absolvierten hierzu unter EEG-Ableitung eine Aufgabe mit variablem Aufmerksamkeitsbedarf. Es wurde zunächst der Zusammenhang zwischen den ereigniskorrelierten Potenzialen N200 und P300 mit präfrontalen Funktionen wie Aufmerksamkeitskontrolle, Inhibition und Konfliktdetektion bzw. –verarbeitung untersucht. Zusätzlich wurden sowohl das Verhalten als auch die elektrophysiologische Aktivität zwischen den sorgfältig gematchten Genotyp-Gruppen Val/Val, Val/Met und Met/Met (je 11 Probanden) verglichen. Es zeigte sich, dass die N200 v.a. durch eine Veränderung der Aufmerksamkeitsrichtung zwischen globalen und lokalen Stimuluseigenschaften beeinflusst wurde. Die P300 wurde dagegen sowohl von der Aufmerksamkeitsrichtung als auch der Konfliktstärke (lokale im Vergleich zu globalen Stimuluseigenschaften sowie erhöhter Konflikt mit vermehrter Beanspruchung von Aufmerksamkeitsressourcen) beeinflusst. Wir konnten keine Auswirkungen der COMT-Ausprägung auf die Performanz (Korrektheit und Reaktionsgeschwindigkeit) im VAC-Test feststellen. Die hirnelektrische Aktivität (N200 und P300) unterlag dagegen einem deutlichen Einfluss des COMT-Genotyps: Met-Allel-Homozygote zeigten ein effizienteres Arbeiten - es lag eine bessere Aktivierung des Kortex (höhere P300) sowie ein geringerer Bedarf an Inhibition bei gleicher Leistung wie bei Val-Allel-Trägern vor (niedrigere N200- Amplitude). Es zeigte sich zudem bei den Met-Allel-Homozygoten kaum Variabilität der Hirnaktivierung über alle Schwierigkeitsstufen hinweg, was möglicherweise Ausdruck einer geringeren kognitiven Flexibilität im Vergleich zu Val-Allel-Trägern ist. / The prefrontal cortex is reported to be associated with executive functions such as attentional control, inhibition, working memory or recognition and evaluation of new stimuli. To the aim of appropriate adaptation of the variable control mechanisms in this brain region, the neurotransmitter dopamine is crucial, as reported in numerous studies. Due to the Val108/158Met polymorphism (amongst others) the neurotransmitter is available in a varying amount and should therefore effect prefrontal functions amongst individuals importantly. The aim of this study was to define this influence using EEG and event related potentials and to identify in addition the cognitive processes influenced by the COMT genotype. 60 healthy individuals therefore passed a variable attentional control task during the recording of an EEG. The association of the event-related potentials N200 and P300 with prefrontal functions (attentional control, inhibition and conflict detection) was analyzed. Additionally performance and electrophysiological activity of the carefully matched genotype groups Val/Val, Val/Met and Met/Met were compared. We found N200 mainly being influenced by an attentional shift between global and local stimulus characteristics - in contrast to P300, which was affected both by attentional focus and amount of conflict (local in comparison to global stimulus characteristics as well as an increased amount of conflict with a higher demand for attentional resources). We found no influence of COMT genotype on performance (reaction time and correctness) in our task whereas electric brain activity is subject to a considerable impact of the COMT genotype: Met allele homozygotes showed more efficient working expressed by a better cortical activation (higher P300) and less inhibitory demand (lower N200) for equal performance compared to Val allele carriers. Furthermore Met allele homozygotes showed only very little variability in cortical activation throughout all conditions – maybe a sign of less cognitive flexibility compared to Val allele carriers.

Unsere Bemühungen die Natur individueller Unterschiede der Emotionsregulation zu verstehen, involviert das Verständnis der Gene. In dieser Arbeit werden Gene (Kandidatengene), die für Proteine als Rezeptoren, Transporter oder Enzyme im Neurotransmitterstoffwechsel Serotonin und Dopamin kodieren, untersucht. Serotonin und Dopamin sind mit Angststörungen in verschiedener Weise assoziiert. Sie sind wichtige Neurotransmitter in Teilen des Gehirns, die mit Angstkonditionierung im Zusammenhang stehen. Polymorphismen in diesen Genen verändern die Struktur und Funktion der Genprodukte und nehmen damit Einfluss auf die Funktion von Hirnstrukturen und -systemen. Phobien sind äußerst intensive und persistente Furchtreaktionen, welche durch spezifische Situationen oder Objekte ausgelöst werden und von dem zwingenden Wunsch begleitet sind, diese Situationen oder Objekte zu vermeiden. Die Intensität der Furchtreaktion erscheint einem Außenstehenden, entsprechend der realen Gefahr dieser Situation, unangemessen und eigentümlich. Zumeist hat der Phobiker selbst auch Einsicht in diese Irrationalität seiner Furchtreaktion, vermag sie aber nicht willentlich unter Kontrolle zu halten. In dieser Arbeit wurden als Beispiel einer assoziierten Angst die Zahnbehandlungsphobie und als Beispiel einer nicht-assoziierten Angst die Spinnenphobie untersucht. Es wurden 53 Zahnbehandlungsängstliche, 52 Spinnenphobiker und 37 Kontrollpersonen mittels Fragebogen (SPF,FAS,STAI trait, DCQ, DFS, ASI, PANAS, R-IDCI) getestet. Die Probanden wurden durch PCR-Analyse von Mundschleimhautabstriche je einem Polymorphismus der untersuchten Kandidatengene zugeordnet. Es handelte sich dabei um die Gene für den Serotonintransporter 5HTT, den Serotoninrezepor 5HT1A, den Dopaminrezeptor DRD4, den Dopamintransporter DAT, BDNF und das in den Katecholaminabbau involvierte COMT-Enzym. Die untersuchten Polymorphismen weisen in der Literatur einen Einfluss auf die Angstausprägungen auf. In der statistischen Auswertung wurde auf signifikante Zusammenhänge zwischen einem Polymorphismus und der Ausprägung einer Phobie geachtet. Desweiteren wurden die verschiedenen Polymorphismen mit den Ergebnissen der Fragebogentests in Zusammenschau gebracht. Ein direkter Einfluss eines der untersuchten Gene auf die Ausprägung einer Phobie konnte nicht nachgewiesen werden. In der Gruppe der Dentalphobiker zeigten sich Hinweise auf einen Einfluss des BDNF G-Allels und des COMT G-Allels auf erhöhte Ängstlichkeit. / Understanding of individual differences in emotions is related to the understanding of genes. This paper analyses genes (candidate genes) that code for proteins as receptors, transporters or enzymes in the metabolism of neurotransmitter serotonin and dopamine. Serotonin and dopamine are in different ways associated with anxiety disorders. They are important neurotransmitter in parts of the brain that are associated with anxiety conditioning. Polymorphisms in these genes change the structure and function of gene products and have effect on the function of brain structures. In literature the analysed polymorphisms show influence on characteristics of anxiety. Phobias are very intense and persistent fearreactions, which are triggered by specific situations or objects. They are accompanied by the desire to avoid these specific objects/situations. The intensity of this fearreactions seems inadequate according to real danger. The phobic person himself realises the irrationality of the reaction, but cannot control it. In this paper dental phobia, as an example for associated anxiety, and spider phobia, as an example for non-associated anxiety, are analysed. 53 dentalphobic, 52 spiderphobic and 37 control persons are tested by questionnaires (SPF,FAS,STAI trait, DCQ, DFS, ASI, PANAS, R-IDCI). The test persons were related to each one polymorphism of a candidate gene by PCR-analysing of mouth mucosa samples. Analysed candidate genes are serotonin-transporter 5HTT, serotonin-receptor 5HT1A, COMT, dopamine-receptor DRD4, dopamine-transporter and neutrophin BDNF. The relationship between a polymorphism and the characteristics of a phobia was examined statistically. Further the questionnaire results and polymorphisms were analysed for relations. No direct influence could be shown for candidate genes on phobia characteristics. In the group of dental phobia, hints for influence of the BFNF G-allele and COMT G-allele on anxiety could be made.

Der brustgewebsspezifische Metabolismus des weiblichen Sexualhormons 17β-Estradiol (E2) spielt eine wichtige Rolle bei der Brustkrebsentstehung. In der Brust wird E2 durch die humanen Cytochrom P450-abhängigen Monooxygenasen (CYP) Isoenzyme 1A1 (hCYP1A1) und 1B1 (hCYP1B1) zu 2-Hydroxy (2-OH) und 4-HO-E2 oxidiert und vorrangig durch die Catechol-O-Methyltransferase (COMT) entgiftet. Bei unzureichender O-Methylierung können diese Catecholestrogene zu elektrophilen Chinonen oxidiert werden, welche mit der DNA reagieren und somit Mutationen induzieren können. Eine niedrige COMT-Aktivität, durch Polymorphismen und/oder durch Nahrungsbestandteile, die mit dem Enzym selbst oder seiner Genexpression wechselwirken, könnte daher die Mutagenität von E2 und dessen Catecholestrogenen beeinflussen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Hemmung der COMT-Aktivität auf die Mutagenität von E2 und dessen Catecholestrogenen untersucht. Zu diesem Zweck wurden der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase (HPRT)-Test und der Mikrokern-Test eingesetzt. Die Untersuchungen erfolgten in kultivierten Lungenfibroblasten des Chinesischen Hamsters (V79-Zellen) und in V79-Zellen, die mit hCYP1A1 transfiziert wurden. Begleitend zu den Mutagenitätsuntersuchungen wurde das Metabolitenprofil der Testsubstanzen anhand von Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie bestimmt. Nach Inkubation mit 0,08 µM 2 HO-E2 wurde dieses vollständig zu dessen Methylcatecholen umgesetzt, ab 2,5 µM hingegen war zusätzlich 2 HO-E2 im Medium nachweisbar. Demnach war die Hemmung der COMT-Aktivität bei der Inkubation mit 0,08 µM 2 HO-E2 vollständig und ab 2,5 µM partiell. Mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität war 2 Methoxyestradiol der Hauptmetabolit. 2-HO-E2 induzierte im Konzentrationsbereich 0,08 µM - 5 µM, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, keine Erhöhung der Mutantenfrequenz im hprt-Lokus von V79-Zellen. Im Gegensatz hierzu induzierte 2 HO-E2 ab 2,5 µM, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, mindestens eine Verdreifachung der Mikrokernrate im Vergleich zur Kontrollpopulation, wobei dieser Effekt ohne Inhibierung der COMT-Aktivität stärker ausgeprägt war. Über den gesamten getesteten Konzentrationsbereich (5 - 40 µM) wurde 4 HO-E2 zu dessen beiden Methylcatecholen umgesetzt, wobei 4-Methoxyestradiol den größten Anteil der detektierten Verbindungen (≥ 86%) ausmachte. Nach der Behandlung mit 3,5-Dinitrocatechol waren keine Methylierungsprodukte mehr nachweisbar, weswegen von einer vollständigen Hemmung der COMT-Aktivität im gesamten getesteten Konzentrationsbereich auszugehen war. 4-HO-E2 induzierte über den gesamten getesteten Konzentrationsbereich keine Genmutationen im hprt-Lokus. Erst nach Hemmung der COMT-Aktivität und Behandlung mit 20 µM 4 HO-E2 wurde eine Verdreifachung der Mutantenfrequenz im Vergleich zur Kontrollpopulation beobachtet. Mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität induzierte 4 HO E2 ab 20 µM eine Verdopplung der Mikrokernrate im Vergleich zur Kontrollpopulation. Im Kulturmedium der V79 hCYP1A1-Zellen, die mit 0,1 und 1 µM E2 für bis zu drei Wochen behandelt wurden, machten über die gesamte Versuchsdauer E2 (> 86%) und Estron (> 10%, bezogen auf die Summe aller Peakflächen) den größten Anteil der detektierten Verbindungen aus. Wie erwartet, waren nach Hemmung der COMT-Aktivität keine Methylierungsprodukte mehr nachweisbar. Die durchgehende, zwei- und dreiwöchige Behandlung mit jeweils 0,1 und 1 µM E2 bewirkte keine Induktion von Genmutationen im hprt-Lokus. Demgegenüber erhöhte sich die Mutantenfrequenz nach Hemmung der COMT-Aktivität und dreiwöchiger Behandlung mit 0,1 µM E2 um Faktor 4 im Vergleich zur Kontrollpopulation. Was die Mikrokerninduktion betrifft, so wurde nach 24-stündiger Inkubation mit 0,1 und 1 µM E2, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, keine Erhöhung der Mikrokernrate im Vergleich zur Kontrollpopulation beobachtet. Über die gesamte Dauer der Mutagenitätstests von E2 und dessen Catecholestrogenen unterschieden sich die Zellzyklusverteilung, die Wachstumskurven und die Koloniebildungsfähigkeit zum Zeitpunkt der Selektion, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, nicht statistisch signifikant von denjenigen der Kontrollpopulationen. Demnach war von einer sicheren Detektion von Mutationen im HPRT-Test und im Mikrokerntest auszugehen. Zusammenfassend bestätigen die durchgeführten Untersuchungen, dass die zelluläre COMT-Aktivität eine essentielle Rolle zur Entgiftung mutagener Catecholestrogene spielt. Eine hundertprozentige Inhibierung der Aktivität dieses Enzyms führt zur Induktion von Genmutationen durch 4 HO-E2 in V79-Zellen ohne CYP-Aktivität und durch E2 in V79-Zellen, die hCYP1A1 exprimieren. Demnach könnte eine Reduktion der COMT-Aktivität durch Polymorphismen und/oder durch Nahrungsbestandteile, die mit dem Enzym selbst oder seiner Genexpression wechselwirken, die Induktion von Genmutationen durch E2 und dessen Catecholestrogenen begünstigen. / Oxidative metabolism of the female sex hormone 17β-estradiol (E2) is considered to play a major role in the initiation of hormone-induced carcinogenesis. In extrahepatic tissues, E2 undergoes metabolic activation by human cytochrome P450-dependent monooxygenase (CYP) isozymes 1A1 (hCYP1A1) and 1B1 (hCYP1B1) to 2-hydroxy (HO)- and 4-HO-E2. If not conjugated these catecholestrogens can further oxidize to electrophilic quinones, which may react with DNA and induce thereby mutations. Conjugation of these catechols in extrahepatic tissues is mainly catalyzed by catechol-O-methyltransferase (COMT). A low COMT activity, caused for example by polymorphisms and certain food components, which influence the enzyme activity or its gene expression, may therefore enhance quinone formation and thereby the induction of mutations. The aim of the present work was to determine the effect of inhibition of COMT on the mutagenic potential of a) the catechols 2- and 4-HO-E2 in V79 wild type cells without CYP activity and b) E2 in V79 cells expressing hCYP1A1. 3,5-dinitrocatechol (20 μM) served as COMT inhibitor. Gene and chromosomal mutations were assessed using the hypoxanthine-guanine-phosphoribosyltransferase (HPRT) and the micronuclei assay. In addition, the metabolite profile of E2 and its catechols in the culture medium was analyzed via gas chromatography/mass spectrometry. After incubation of V79 cells with 2-HO-E2, 2-methoxyestradiol was the major metabolite, whereas in the presence of the COMT inhibitor, disappearance (0.08 μM) and a decreased amount (2.5 μM or more) of methylated inactivation products was observed. Treatment of V79 cells with 0.08 μM – 5 μM 2-HO-E2, neither with nor without inhibition of COMT activity induced a significant increase in mutant frequency at the hprt locus. In contrast, at concentrations above or equal to 2.5 μM 2-HO-E2, at least a 3-fold increase of the micronuclei rate compared to control cells was observed with and without inhibition of COMT activity. Over the entire concentration range (5-40 μM) 4-HO-E2 was mainly converted to its methylation products, 4-methoxyestradiol being the major metabolite (≥ 86%) of the detected compounds. After treatment with 3,5-dinitrocatechol no methylation products were detected, thus indicating a complete inhibition of COMT over the entire concentration range. 4-HO-E2 did not induce gene mutations at the hprt locus in V79 cells with active COMT. Yet, after inhibition of COMT and treatment with 20 μM 4-HO-E2, a 3-fold increase in the mutant frequency was observed in comparison to control cells. Like 2-HO-E2, induction of micronuclei by 20 µM 4-hydroxyestradiol and more, was not affected by inhibition of COMT. In the culture medium of V79 cells expressing hCYP1A1, which were incubated with 0.1 and 1 μM E2 for up to three weeks, over the entire assay duration, E2 and estrone (86% and 10% of the sum of all peak areas, respectively) were the major metabolites. As expected, no methylation products were detected after inhibition of COMT. Treatment of V79 cells expressing hCYP1A1, for two and three weeks with 0.1 and 1 μM E2 did not induce gene mutations at the hprt locus. In contrast, a 4-fold increase in mutant frequency was observed in comparison to control cells after inhibition of COMT and treatment with 0.1 μM E2 for three weeks. With and without inhibition of COMT, no increase in micronuclei rate compared to control cells was observed after incubation with 0.1 and 1 μM E2 for 24 hours. Over the entire duration of the mutagenicity assays of E2 and its catechols, cell cycle distribution, cell growth and plating efficiency at the time of mutant selection, with and without inhibition of COMT, did not differ statistically significant from control cells; therefore a reliable detection of mutations in the micronuclei and the HPRT assay can be assumed. The present work confirms that cellular COMT is essential for the inactivation of mutagenic catechols. Complete inhibition of its enzyme activity results in the induction of gene mutations by 4-HO-E2 in V79 wildtype cells without CYP activity and also by E2 in cells expressing hCYP1A1. Polymorphisms and food components lowering COMT activity could therefore mediate the potential of E2 and its metabolites to induce gene mutations.

Theories of attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) aetiology have placed a focus on impaired behavioural inhibition presumably leading to executive function (EF) deficits. Neuroimaging studies report neurophysiological findings consistent with these hypothesised impairments, and investigations of functional brain activation from a network perspective report hypoactivation in the frontoparietal network as well as hyperactivation in the dorsal attention network. Studies investigating the acute effects of stimulant medication on EF show an improvement on behavioural EF measures including working memory. In addition, methylphenidate (MPH) was shown to up-regulate the task-positive/ frontoparietal network in children and adolescents with ADHD. So far, there are only few studies investigating the impact of ADHD on behavioural and neurophysiological EF measures as well as the effect of several weeks of stimulant medication in adult patients. The importance of the catechol-O-methyltransferase (COMT) enzyme for subcortical and cortical dopaminergic and noradrenergic functioning furthermore led to studies investigating a potential interactive impact of COMT genotype and ADHD on neuropsychological functioning, with a particular focus on working memory. The results of these studies were very heterogeneous. In addition, as none of the studies compared the results of ADHD patients to those of a healthy control group, possible differential effects of COMT in patients and healthy controls could not be examined. The aim of this dissertation was to investigate selective attention properties of the central executive component during a working memory task and to transfer this task to fMRI. A third study then aimed to investigate the effects of adult ADHD (aADHD), MPH, and COMT genotype on working memory with a particular focus on activation of the task-positive network during the analysis of the fMRI data. The first study (EEG) could replicate and extend the results from previous research. This study could furthermore connect the overall activation in frontal areas to suppression efficiency in posterior visual areas as well as establish the impact of hyperactive/ impulsive ADHD symptoms on task performance. The second study (fMRI) allowed the successful transfer of the paradigm to fMRI, and the further replication and extension of previous findings. In addition, this study showed the sensitivity of the task to the effects of the COMT genotype. The third study (fMRI) was one of the first studies that exploratorily investigated the effects COMT in a sample of aADHD patients and a comparable healthy control group. This study showed an interactive effect of these two factors on neuropsychological measures as well as on fMRI activation during a classic n-back working memory task. In addition, this task led to more activation in the task-positive network of the aADHD group compared to a healthy control group in the absence of performance differences, pointing towards compensatory activation in the aADHD group. Furthermore, activation in the frontal cortex was increased in patients taking MPH compared to a placebo. The fMRI data from the selective attention task moreover showed decreased activation in the right DLPFC of the patient group, which was associated with reduced suppression efficiency across all participants. The clinical effect of MPH in the third study was visible but did not reach significance, which is probably attributable to a lack of experimental power. The studies in this dissertation could successfully replicate and extend previous findings. A goal for future studies should be the further investigation of the interactive effects of COMT genotype and aADHD on neuropsychological test results and fMRI activation, but also on medication response and adverse effects. In this context, the adaptation of a network perspective during the analysis of fMRI data seems to be the best way to detect existing between-group differences. / Theorien zur Ätiologie der Aufmerksamkeitsdefizit-/ Hyperaktivitätsstö-rung (ADHS) konzentrieren sich oft auf defizitäre Prozesse der Verhaltensinhibition, die wiederum zu Defiziten der Exekutivfunktionen (EF) führen. Übereinstimmend mit diesen Beeinträchtigungen berichteten Neuroimaging-Studien von Hypoaktivierung im frontoparietalen Netzwerk sowie Hyperaktivierung im dorsalen Aufmerksamkeitsnetzwerk. Studien zur Wirkung von Stimulanzien zeigten eine Verbesserung von EF-Maßen einschließlich des Arbeitsgedächtnisses sowie eine Hochregulierung des aufgabenpositiven/ frontoparietalen Netzwerks durch Methylphenidat (MPH). Bis jetzt untersuchten nur wenige Studien die Auswirkungen von ADHS auf neurophysiologische und Verhaltensmaße der EF sowie den Effekt von länger andauernder Stimulanziengabe bei erwachsenen Patienten. Die Wichtigkeit des Enzyms Catechol-O-Methyltransferase (COMT) für subkortikale und kortikale dopaminerge und noradrenerge Funktionen führte darüber hinaus zu Studien, die eine potentielle Interaktion in der Wirkung des COMT Genotyps und ADHS auf neuropsychologische Funktionen und insbesondere auf das Arbeitsgedächtnis untersuchten. Die Ergebnisse dieser Studien waren recht heterogen. Da zudem keine der Studien die Ergebnisse der ADHS-Patienten mit denen einer gesunden Kontrollgruppe verglich, konnten möglicherweise vorhandene unterschiedliche Einflüsse von COMT bei Patienten und gesunden Kontrollprobanden nicht angemessen ermittelt werden. Das Ziel dieser Dissertation waren zunächst die Untersuchung von selektiven Aufmerksamkeitsprozessen, die durch die Zentrale Exekutive vermittelt werden, sowie die Übertragung der dazu verwendeten Arbeitsgedächtnisaufgabe ins fMRT. Eine dritte Studie strebte die Untersuchung der Auswirkungen von ADHS bei Erwachsenen (aADHS), MPH und COMT Genotyp auf das Arbeitsgedächtnis an. Ein besonderer Fokus bei der Analyse der fMRT-Daten lag hierbei auf der Aktivierung des aufgabenpositiven Netzwerks. Die erste Studie (EEG) konnte bisherige Forschungsergebnisse replizieren und erweitern. Zudem konnte diese Studie die Gesamtaktivierung in frontalen Bereichen mit der Unterdrückungseffizienz in posterioren visuellen Bereichen in Verbindung bringen sowie einen Einfluss von hyperaktiv/ impulsiver ADHS-Symptomatik auf die Verhaltensleistung feststellen. Die zweite Studie (fMRT) zeigte eine erfolgreiche Übertragung des Paradigmas auf das fMRT und eine weitergehende Replizierung und Erweiterung vorheriger Forschungsergebnisse. Es konnte außerdem die Sensitivität der Aufgabe für die Effekte des COMT Genotyps gezeigt werden. Die dritte Studie (fMRT) war eine der ersten Studien, die exploratorisch die Effekte von COMT in einer Stichprobe von aADHS-Patienten und einer vergleichbaren gesunden Kontrollgruppe untersuchte. Hier zeigte sich eine Interaktion von COMT Genotyp und aADHS auf die erhobenen neuropsychologischen Maße sowie auf die fMRT-Aktivierung während einer n-back Arbeitsgedächtnisaufgabe. Die Aufgabe führte zu mehr Aktivierung im aufgabenpositiven Netzwerk der aADHS-Gruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe. Da keine Leistungsunterschiede zwischen den Gruppen zu erkennen waren, weist diese Hyperaktivierung auf eine kompensatorische Aktivierung in der aADHS-Gruppe hin. Zudem zeigte sich eine erhöhte Aktivierung im Frontalkortex bei Patienten, die MPH statt einem Placebo einnahmen. Die fMRT-Daten der Aufgabe zur selektiven Aufmerksamkeit zeigten außerdem eine reduzierte Aktivierung im rechten DLPFC der Patientengruppe, die über alle Probanden hinweg mit einer reduzierten Unterdrückungseffizienz assoziiert war. Der klinische Effekt von MPH in der Patientenstichprobe war sichtbar, erreichte aber keine Signifikanz, was vermutlich auf eine zu geringe experimentelle Power zurückzuführen ist. Die Studien in dieser Dissertation konnten vorherige Befunde erfolgreich replizieren und erweitern. Ein Ziel für zukünftige Studien sollte die weitergehende Untersuchung dieser Fragestellungen sein. Vor allem in Bezug auf eine Interaktion von COMT Genotyp und aADHS auf neuropsychologische Testergebnisse und fMRT-Aktivierung, aber auch auf Medikamenten-Response und Nebenwirkungen ist dies von großer Bedeutung. Die Übernahme einer Netzwerkperspektive bei der Analyse von fMRT-Daten scheint zudem der beste Weg, existierende Unterschiede zwischen den Gruppen zu finden.