Würzburg, University, Diss., 2006.

München, Techn. Univ., Diss., 2010.

Thesis (doctoral)--Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 1994.

Tübingen, Univ., Diss., 2008.

Die Technik des optischen Imaging unter Verwendung DNA-codierter Sensoren ermöglicht es, Messungen neuraler Aktivitäten in genetisch definierten Populationen von Neuronen durchzuführen. In der Vielzahl der verschiedenen entwickelten Sensoren konnten die Calciumsensoren bisher das beste Verhältnis zwischen Signal und Rauschen und die beste zeitliche Auflösung aufzeigen. Hierbei handelt es sich in erster Linie um zwei Typen von Sensoren, zum einen ratiometrische Sensoren, deren Signal auf einem Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET) basiert, und zum anderen um zirkulär permutierte Sensoren, die auf einem modifizierten GFP-Molekül basieren, wobei das Signal auf einer veränderten Protonierung des Chromophors beruht. Beide Arten dieser Sensoren wurden schon erfolgreich zum Messen neuraler Aktivitäten in Nervensystemen verschiedener Tierarten verwendet. Ein Teil dieser Arbeit bestand darin, zu untersuchen, welche Sensoren sich für die Messung an einem lebenden Organismus am besten eignen. Hierfür wurden die Eigenschaften von vier verschiedenen FRET basierten Sensoren und zwei der zyklisch permutierten Sensoren nach Expression im zentralen Nervensystem von Drosophila charakterisiert. Die Sensoren wurden in Neuronen zweiter und dritter Ordnung des olfaktorischen Signalwegs exprimiert und ihre Antworten auf physiologische Duftstimulation oder artifiziell induzierte Depolarisation des Gehirns untersucht. Während die calciumabhängigen Signale der zyklisch permutierten Sensoren in der Regel größer waren als die der FRET basierten Sensoren, zeichneten sich letztere durch ein besseres Signal zu Rausch-Verhältnis aus, wenn Bewegungen der fluoreszierenden Strukturen nicht zu vermeiden waren. Dies war auch der ausschlaggebende Grund für die Verwendung eines FRET basierten Sensors im anschließenden Teil der Arbeit. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Effekt untersucht, den die Paarung eines neutralen Stimulus mit einem bestrafenden Stimulus auf dopaminerge Neurone hat. Eine solche Paarung kann zu einer klassischen Konditionierung führen, einer einfachen Form des Lernens, in welcher das Tier einem ursprünglich neutralen Stimulus einen Wert zuordnet, und dadurch sein Verhalten dem Stimulus gegenüber ändert. Die olfaktorische klassische Konditionierung in Drosophila wird seit vielen Jahren intensiv untersucht, um die molekularen und neuronalen Grundlagen von Lernen und Gedächtnis zu charakterisieren. Dabei hat sich gezeigt, dass besonders die Pilzkörper von essentieller Bedeutung für die Ausbildung eines olfaktorischen Gedächtnisses sind. Während das olfactorische System bei Insekten bereits detailiert analysiert wurde, ist über die Neurone, die den bestrafenden Stimulus vermitteln, nur sehr wenig bekannt. Unter Anwendung des funktionellen optischen Calcium Imaging konnte im Rahmen der Arbeit gezeigt werden, dass die Projektionen von dopaminergen Neuronen im Bereich der Loben der Pilzkörper schwach auf die Präsentation eines Duftes, jedoch sehr stark auf eine Stimulation durch einen Elektroschock antworten. Nach mehrmaliger Paarung eines Duftes mit einem Elektroschock während eines Trainings, verlängert sich die Aktivität dieser dopaminergen Neurone auf den bestraften Duft hin im Test ohne Elektroschock drastisch, während die Antwort auf den Kontrollduft keine signifikanten Veränderungen aufweist. Während bei Säugetieren belohnende Reize bei appetitiven Lernvorgängen über dopaminerge Neurone vermittelt werden, spielen bei Drosophila diese Neurone offensichtlich eine Rolle bei der aversiven Konditionierung. Jedoch blieb, auch wenn sich die Rolle des Dopamins im Laufe der Evolution geändert zu haben scheint, die Fähigkeit dieses Neuronentyps, nicht nur auf einen eintreffenden verstärkenden Stimulus zu reagieren, sondern diesen auch vorhersagen zu können, zwischen Säugern und Drosophila erhalten. / The technique of optical in vivo imaging using genetically encoded fluorescent sensors in transgenic animals has paved the way for real-time monitoring of spatio-temporal activity in the brain. Among the different fluorescent probes, the calcium sensors produce signals with the highest signal to noise ratio and the best temporal resolution. Basically these sensors can be split into two groups, those based on a FRET-effect between two modified green fluorescent proteins (GFPs) and those which make use of on a circular permutation of GFP. Both types have successfully been used for measuring neuronal activity in various species. One part of the present work was to test which of these different sensor types are best suited for an in vivo situation. For this, two members of the class of circularly permutated sensors and four members of the class of FRET based sensors were tested and compaired in Drosophila. Each sensor was expressed in second and third order neurons of the olfactory pathway and the calcium activity evoked by artificial depolarisation or physiological odour stimuli was recorded. Whereas the Calcium dependent change in signal intensity is substantially higher for the circularly permutated sensors, the FRET based sensors tested in this work showed a better signal to noise ratio when movement of the brain structures under investigation could not be prevented. For this reason a FRET based sensor was chosen to measure the activity of dopaminergic neuronsin a classical conditioning paradigm. In the second part of this work the effect of pairing a neutral stimulus with a negative reinforcer (in this case an electric shock) on the activity of dopaminergic neurons was investigated. The pairing of these two stimuli can lead to classical conditioning, a simple form of learning in which the animal assigns a value (positive or negative) to the formerly neutral stimulus. Olfactory classical conditioning in Drosophila melanogaster is a prime model for the analysis of the molecular and neuronal substrate of this type of learning and memory. In particular the mushroom bodies have been shown to be essential for olfactory memory formation. While the olfactory system of insects has been extensively characterized little is known about the neurons that mediate the reinforcing stimulus. Using the technique of optical calcium imaging it was possible to show that dopaminergic projections in the region of the mushroom body lobes responded weakly to odour presentations, but strongly to the stimulation by an electric shock. After pairing for several times one of two odours presented to the fly with an electric shock (training), the activity of the dopaminergic neurons to the punished odour is significantly prolonged in a test after the training. No change is observed after the training for the control odour that was not paired with the electric shock. Whereas in mammals rewarding stimuli are mediated by dopaminergic neurons, in Drosophila this catecholamine apparently plays a role in mediating aversive reinforcement. Even though the role of dopamine seems to have changed during evolution the capability of dopaminergic neurons to predict a reinforcing stimulus appears to be conserved between Drosophila and mammals.

Pluripotente embryonale Stammzellen (ES Zellen) sind aufgrund ihrer Selbsterneuerung- und ihrer Multiliniendifferenzierungs-Fähigkeiten interessante Zelltypen sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die regenerative Medizin. Uniparentale Zygoten mit zwei väterlichen (androgenetisch: AG) oder zwei mütterlichen (gynogenetisch: GG; parthenogenetisch: PG) Genomen sind nicht in der Lage, lebensfähige Nachkommen zu entwickeln. Sie entwickeln sich jedoch erfolgreich bis zu Blastozysten, aus denen pluripotente ES Zellen abgeleitet werden können. Mit uniparentalen ES Zellen können zum Einen parent-of-origin-spezifische Einflüsse auf die Gewebeentwicklung untersucht und zum Anderen histokompatible und somit therapeutisch relevante Zellpopulationen generiert werden. Obwohl viele Aspekte des in vitro und in vivo Differenzierungspotenzials von PG ES Zellen aus mehreren Spezies in den zurückliegenden Jahren untersucht worden sind, ist das volle Differenzierungspotenzial von AG ES Zellen bisher nicht erschöpfend analysiert worden. Zellen der Inneren Zellmasse (ICM) von PG und AG Embryonen zeigten nach Blastozysteninjektion ortsspezifische Kontribution zur Gehirnentwicklung, wobei PG Zellen bevorzugt im Cortex und im Striatum lokalisierten, während sich AG Zellen verstärkt im Hypothalamus nachzuweisen waren. Aus AG und GG ES Zellen konnten zudem in vitro hämatopoetische Stammzellen differenziert werden, die nach Transplantation im Mausmodell tumorfrei das gesamte hämatopoetische System repopulierten. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass AG ES Zellen ein mit N ES Zellen vergleichbares in vitro und in vivo Differenzierungspotential in der frühen neuralen Entwicklung besitzen. Das Ziel meiner Arbeit war es zu untersuchen, ob murine AG ES Zellen sich zu verschiedenen neuronalen Subtypen entwickeln können und ob sie tumorfrei neurale Zelltypen nach Transplantation bilden können. In dieser Studie wurden AG ES Zellen im Vergleich zu biparentalen (N) ES Zellen in vitro über Embryoid Bodies (EBs) zunächst zu pan-neuronalen Vorläuferzellen (pNPCs) und weiter zu Neuron- und Glialzell-Marker (ß-III Tubulin (Tuj-1), NeuN, TH und GFAP) positiven Zellen differenziert.. Weiterhin wurde das dopaminerge (DA) Differenzierungspotential von AG ES Zellen näher untersucht, indem sie in einem Ko-Kultursystem mit Stromazellen gerichtet differenziert wurden. Diese DA Neurone wurden durch semiquantitative RT-PCR Analysen und immunhistochemische Färbungen für DA Neuronen-spezifische Marker (TH, PITX3, Nurr1) charakterisiert. Darüber hinaus wurde der Imprinting-Status von neun ausgesuchten Loci in AG und N ES, pNPC und DA Zellkulturen durch real-time RT-PCR Analysen untersucht. Die hier analysierten Gene, die im Gehirn allelspezifisch exprimiert werden, zeigten in pNPCs eine parent-of-origin-spezifische Genexpression mit Ausnahme von Ube3a. Nach Blastozysteninjektion wurde die Bildung von DA Neuronen in AG und N fötalen chimären Gehirnen untersucht. Hier zeigte sich, dass TH- and PITX3-positive AG DA Neurone abgeleitet aus ES Zellen im Mittelhirn von E12.5 und E16.5 Chimären detektiert werden konnten. Diese fötalen chimären Gehirne zeigten eine verbreitete und gleichmäßige Verteilung der AG Donorzellen in den Arealen Cortex, Striatum und Hypothalamus. Stereotaktische Transplantationen von AG und N pNPCs in ein „Traumatic Brain Injury (TBI) Model“ zeigten zudem, dass frühe Differenzierungsstufen von AG und N pNPC-Kulturen häufig Teratome generierten. Durch die Transplantation von langzeitdifferenzierten AG oder N pNPC-Kulturen konnte jedoch ein tumorfreies Anwachsen neuronaler und glialer Zellen erreicht werden. Die immunhistochemische Auswertung von Transplantaten bezüglich der Donorzellkontribution im Gehirn erfolgten bis zu drei Monaten nach der Injektion. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass AG ES Zellen neurales Differenzierungspotential, speziell zur Bildung von DA Neuronen, besitzen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass langzeitdifferenzierte AG und N pNPCs nach Transplantation im traumatisierte Mausgehirnmodell tumorfrei anwachsen und anschließend zu neuralen Zellen differenzieren können. Trotz unbalancierter Genexpression von imprinted Genen lässt sich feststellen, dass AG ES Zellen therapeutisch relevant für zukünftige zelluläre Ersatzstrategien von Nervengewebe sein können. / Pluripotent embryonic stem (ES) cells are interesting cell types both for basic research and for regenerative medicine because of their enormous self-renewal and multi-lineage differentiation capacity. Uniparental zygotes with two paternal (androgenetic: AG) or two maternal (gynogenetic: GG; parthenogenetic: PG) genomes are not able to develop into viable offsprings but develop successfully up to blastocysts, from which ES cells can be derived. Uniparental ES cells can be utilized to study parent-of-origin-specific influences on tissue development and histocompatible, and therapeutically-relevant cell populations could be generated from them. While many aspects of the in vitro and in vivo differentiation potential of PG uniparental ES cells were studied for several species, the capacity of AG ES cells have not been analyzed to the same extent. PG and AG inner cell mass (ICM) cells showed region-specific contribution in brain development following blastocyst injection. While PG cells were preferentially located in the cortex and the striatum, AG cells were most commonly found in the hypothalamus. Hematopoietic cells derived from AG and GG ES cells generated after transplantation long-term repopulating and tumor-free complete hematopoietic engraftments in irradiated transplant recipients. Furthermore, AG and N ES cells also show a comparable in vitro and in vivo neural differentiation potential during early development, The aim of the present study was to investigate whether AG ES cells can develop into specific neuronal subtypes, and whether they can form neural cell types after transplantation, lacking teratoma formation. In this study, AG ES cells and as controls biparental (N) ES cells were differentiated in vitro via embryoid bodies (EBs) into pan-neural progenitor cells (pNPCs) and consequently to cells which expressed a variety of neuron- and glial cell-specific markers, including ß-III tubulin (Tuj-1), NeuN, TH, and GFAP. Furthermore the dopaminergic (DA) differentiation potential of AG ES cells was investigated more closely, by directed neuronal differentiation of AG ES cells in a co-culture system with stromal cells. The resulting neurons were characterized by semi-quantitative RT-PCR analyses and immunohistochemical stainings for DA neuron-specific markers (TH, PITX3, Nurr1). Additionally, the imprinting status of nine selected loci in AG and N ES cell, pNPC and DA cell cultures was studied by real-time RT-PCR analyses. The genes analyzed here, known to be expressed allel-specific in the brain, maintained in pNPCs a parent-of-origin-specific gene expression with the exception of UBE3A.   Following blastocyst injection the formation of DA neurons was studied in the AG and N chimeric fetal brains. TH- and PITX3-positive DA neurons derived from ES AG cells in the midbrain of E12.5 and E16.5 chimeras were detected. These chimeric fetal brains showed a widespread and balanced distribution of AG cells in the brain areas Cortex, Striatum and Hypothalamus. Stereotactic transplantations of AG and N pNPCs in a "Traumatic Brain Injury (TBI) Model" showed that early neural differentiation stages of AG and N pNPC cultures tended to generate teratomas. Importantly, neuronal and glial tumor-free engraftments could be achieved by the transplantation of long-term differentiated AG or N pNPC cultures. The immunohistochemical assessment of the donor cell contribution of individual transplants was performed up to three months post-transplantation. The results presented here show that AG ES cells have DA neuronal differentiation potential, and that long-term differentiated AG and N pNPCs can engraft tumor-free in a brain injury model. In spite of imbalanced imprinted gene expressions my results suggest that AG ES cells could be therapeutically relevant for future cellular replacement strategies of neural tissues.

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Neural stem (progenitor) cells (NPCs) from fetal tissue are an ideal transplantable cell source. They divide rapidly, are able to generate cells of all three neural lineages and do not divide uncontrolled once transplanted into a host organism. To obtain large quantities of cells for transplantation strategies and to eliminate primary cell contaminations, long periods of in vitro cultivation are necessary. Mouse NPCs are a crucial tool for further investigations of neural stem cells because they make the employment of transgenic animals in vivo and cells in vitro possible. So far only short-term expanded fetal mouse NPCs have been shown to generate dopaminergic neurons and it is not clear whether this was due to differentiation or a result of increased survival of primary dopaminergic neurons. The aims of the thesis were to characterize mouse fetal NPCs, to establish the long-term expansion of fetal mouse NPCs and the generation of dopaminergic neurons in long-term expanded fetal mouse NPCs, to investigate the signaling mechanisms involved in the differentiation of mouse fetal NPCs towards the dopaminergic phenotype and to compare short and long-term expanded NPCs. Long-term expanded fetal mesencephalic NPCs could be grown under suspension and adherent culture conditions and showed self- renewing capacity as well as markers typical for NPCs. They could be differentiated into the three major cell types of the nervous system, but suspension NPCs had a larger potential to generate neurons than adherently grown NPCs. Signaling cascades involved in this process were p38 and Erk1/2 mediated. Long-term expanded NPCs did not have the potential to generate neuronal sub-types. Importantly, they did not generate dopaminergic neurons. Mouse fetal NPCs from three different developmental stages (E10, E12, and E14) were employed but were not able to differentiate into dopaminergic neurons using factors known to stimulate in vitro dopaminergic specification. When cultivated in vitro for short periods, fetal mesencephalic NPCs were able to generate dopaminergic neurons. By eliminating all primary Th- positive neurons, FACS-sorting of NPCs proved a de novo generation of dopaminergic neurons, because after cultivation and differentiation of Th- depleted cell solutions dopaminergic neurons were present in the culture. However, these newly generated neurons failed to incorporate BrdU, making a generation without cell division from precursors probable. The precursor population of short cultures differed from long-term expanded cultures suggesting an ‘aging’ effect of in vitro conditions. IL-1 was a potent inducer of the dopaminergic neuronal phenotype in short-term expanded in vitro cultures and was expressed in vitro as well as in vivo at E14. Several important conclusions concerning fetal mouse stem cell behavior could be drawn from the results of this work: Firstly, the results showed for the first time that in fetal mouse mesencephalic NPCs dopaminergic neurons differentiate from precursors without cell division, therefore consuming those progenitors. Therein fetal mouse NPCs differ significantly from rat and human NPCs or respond differently to the same in vitro conditions that need to be optimized for fetal mouse NPCs. Secondly, less committed precursors find appropriate conditions to proliferate but not to generate the more committed DA precursors that are able to generate dopaminergic neurons. The hallmarks of stem cells, self-renewal and multipotentiality, seem to be part of a delicate balance, that, when unsettled, goes in favor of one side without the possibility of returning to the previous status. Further research should focus on two coherent issues: the isolation of more pure populations of progenitors and the more precise characterization of progenitor populations to find out which in vitro conditions need to be provided to keep the balance between proliferation and differentiation potential. The knowledge gained about stem cells this way would help establish cell sources for transplantation strategies. / Stammzellen sind ein wichtiges Werkzeug für regenerative Therapien im Bereich der neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson’schen Erkrankung. Ein besonderer Vorteil von Stammzellen gegenüber dem bereits zur Transplantation verwendeten Primärgewebe, ist ihre Fähigkeit zur fortlaufenden Zellteilung, so dass ausreichende Mengen zur Transplantation zur Verfügung stehen. Der Vorteil von fetalen neuralen Stammzellen (fNSZ) ist ihre genomische Stabilität, die dazu führt, dass bei Transplantationen keine Tumore entstehen. Dennoch ist der Großteil ihrer Eigenschaften und Potentiale noch unbekannt und die optimalen Wachstumsbedingungen für eine lange in vitro Kultur und optimale Differenzierung in dopaminerge Neuronen müssen erforscht werden, um bessere Transplantate herzustellen. Insbesondere Stammzellen der Maus sind für die Forschung von immenser Wichtigkeit, da sie die Arbeit mit transgenen Tieren ermöglichen. Die Zielsetzungen dieser Arbeit waren die Charakterisierung der fNSZ der Maus, die Langzeitexpansion und die anschließende Differenzierung in dopaminerge Neurone. Die Signalkaskaden der frühen Differenzierung und die Unterschiede von kurz- und langzeitkultivierten Stammzellen wurden untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass fNSZ der Maus nach Langzeitkultivierung in alle Zelltypen des zentralen Nervensystems, also Neuronen und Glia differenzieren und die dabei aktivierten Signalkaskaden p38 und Erk1/2 vermittelt sind. Das Differenzierungspotential zu neuronalen Subtypen (also auch zu dopaminergen Nervenzellen) verloren diese fetalen Stammzellen unter Kulturbedingungen schnell. Das steht im Gegensatz zu fetalen Stammzellen aus Ratte oder dem Menschen, die auch nach langer Kultivierung ihr dopaminerge Potential erhalten. Nur nach Kurzzeitkultivierung waren dopaminerge Neurone nachzuweisen, die jedoch nicht durch Zellteilung aus Vorläuferzellen hervorgegangen waren. Die Eliminierung aller primären Neurone aus der Mittelhirnisolation durch FACS-sorting von Th-Gfp transgenen Mäusen bewies die de novo Generation der dopaminergen Neurone aus Vorläuferzellen ohne Zellteilung während der Kultivierung der Stammzellen. Diese Ergebnisse zeigten, dass in fetalen mesenzephalen NSZ der Maus dopaminerge Neurone von spezialisierten Vorläuferzellen differenzieren, wodurch diese der Kultur verloren gehen. Weniger spezialisierte Vorläuferzellen finden Bedingungen, die ihre Kultivierung ermöglichen, sind aber nicht in der Lage, spezifischere Vorläuferzellen zu bilden. Die Markenzeichen von Stammzellen, Selbsterneuerung (durch Zellteilung) und das Potential, die Zelltypen des Nervensystems zu generieren, scheinen fein balancierte Zustände zu sein, die bei einer Störung nicht wiederherzustellen sind. Die Ergebnisse dieses Projektes sind von großer Bedeutung für die Forschung zur Zellersatztherapie der Parkinson’schen Erkrankung, deren ultimatives Ziel es ist, eine sichere und verlässlich expandierbare Zellquelle zu etablieren, die fähig ist, in dopaminerge Neurone zu differenzieren. Solche Stammzellen würden Bemühungen um Transplantationsstrategien für neurodegenerative Erkrankungen unterstützen und vorantreiben.

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Der Transkriptionsfaktor Pitx3 wird nur in postmitotischen mDA Neuronen des Mittelhirns exprimiert und zeigt eine vollständige Koexpression mit TH im VTA und der SN. Bei einem Verlust an Pitx3-Expression (aphakia-Maus) zeigen die mDA Neurone des VTA nahezu keine Veränderung, während sich jedoch die Neuronen der SN nicht entwickeln. Die Gründe hierfür sind bisher unklar.  In der vorliegenden Arbeit sollte analysiert werden, welche Rolle Pitx3 bei der Neurogenese der mDA spielt, indem Pitx3 im murinen Mittelhirn spezifisch überexprimiert wurde. Dies sind die ersten Ergebnisse einer in vivo Pitx3-Überexpressionsstudie in der Maus und die Ergebnisse könne wie folgt zusammengefast werden:  • Die Expression von TH-, DAT- und Nurr1-positiven Zellen im medialen Bereich des dopaminergen Areals, aus dem das VTA hervorgeht, ist bei allen Mutanten (Shh-Cre+/Pitx3OE, Foxa2-Cre+/Pitx, Wnt1-Cre+/Pitx3OE und En1-Cre+/Pitx3OE) signifikant erhöht. Dabei war dieser Phänotyp besonders bei den  Wnt1-Cre+/Pitx3OE Mutanten ausgebildet.  • An E12.5 ist die Expression von Lmx1a und Lmx1b  bei allen Mutanten in der VZ signifikant erhöht.  • Bei den Wnt1-Cre+/Pitx3OE Mutanten zeigte sich an E12.5 eine starke ektopische Wnt1-Expression in den Bereichen der VZ und SVZ. Ebenso konnte eine gesteigerte Proliferation (BrdU, Ki67) bei gleichzeitiger leichter Reduktion der Neurogenese (Ngn2) beobachtet werden. In den Bereichen der ektopischen Wnt1-Expression konnte weiterhin eine Inhibierung der Shh-Expression an E12.5 festgestellt werden.  • An E12.5 konnte bei den Wnt1-Cre+/Lmx1aOE und Wnt1-Cre+/Lmx1bOE Mutanten eine ektopische Wnt1-Expression in den Bereichen festgestellt werden, in denen Lmx1a/b konditional überexprimiert wurde. Hierbei zeigte sich eine starke Reduktion der TH- und Pitx3-Expression, die aber wahrscheinlich durch eine Störung des IsO hervorgerufen sein könnte.  Im Allgemeinen kann also gesagt werden, dass Pitx3 nicht nur an der Differenzierung, sondern auch an Prozessen der Koordination von Proliferation und Spezifikation – im Sinne von Aufrechterhaltung des mDA Bereiches bzw. der Abgrenzung alternativer neuronaler Zellschicksale  beteiligt sein könnte. Dabei beeinflusst Pitx3 wahrscheinlich indirekt den kanonischen Wnt-Signalweg, indem es eine Rückkopplungsschleife mit Lmx1a und/oder Lmx1b, oder einem Zwischenfaktor bildet.