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.

Die Habilitationsschrift beinhaltet eine zusammenfassende Darstellung unterschiedlicher Marker der biologischen Psychiatrie. Hierzu wurden mittels neuroendokriner und molekulargenetischer Verfahren depressive Patienten, alkoholabhängige Patienten und schizophrene Patienten mit einer seltenen Arzneimittelnebenwirkung untersucht und die jeweiligen Befunde als State- Trait- und Residualmarker charakterisiert. Im Bereich Neuroendokrinologie wurden der Dex/CRH-Test und Liquoruntersuchungen bei depressiven Patienten und die Apomorphin-induzierte HGH-Sekretion bei alkoholabhängigen Patienten durchgeführt. Im Bereich Pharmakogenetik erfolgten molekularbiologische HLA-und Enzymsystemuntersuchungen bei Patienten mit einer Clozapin-induzierten Agranulocytose. Es zeigten sich folgende Charakterisierungen einzelner Substrate: * HHN-Systemveränderungen (messbar über Cortisol- und ACTH-Serumkonzentrationen) sind State-bzw. Residualmarker der Depression. CRH-, AVP-und Somatostatin-Liquorkonzentrationen sind keine biologischen Marker der Depression * Das HGH-"Blunting" alkoholabhängiger Patienten ist ein spezifischer Marker für Alkoholabhängigkeit mit ungünstigem klinischen Verlauf * Spezifische HLA-Haplotypen sind als Traitmarker der Clozapin-induzierten Agranulocytose zu werten. Enzymsystem-Polymorphismen haben keine Bedeutung bei der Entwicklung dieser Arzneimittelnebenwirkung Der spezifischen Charakterisierung einzelner Befunde schließt sich eine Diskussion über deren Bedeutung für die biologische Psychiatrie an. / Neuroendocrine and pharmacogenetic studies were performed in depressive and alcohol-dependent patients as well as schizophrenic patients with clozapine-induced agranulocytosis to characterize different serological or molecular substrates as state-, trait or residualmarker. Depressive patients were assessed using the dexamethasone/corticotropin releasing hormone test and measuring neuropeptide hormone concentrations in cerebrospinal fluid (CSF), whereas dopaminergic responsiveness of alcohol-dependant patients was assessed by the apomorphine-induced human growth hormone (HGH) secretion. HLA-subtyping and screening of relevant polymorphisms of clozapine metabolizing enzyme systems was performed in patients with clozapine-induced agranulocytosis (CA). * HPA-alterations as a function of cortisol-and ACTH serum concentration appear as state- and residual marker of depression. CSF-CRH, -AVP and -SOM do not fulfill marker criteria * HGH blunting may serve as a residual marker of alcoholism with poor clinical outcome * HLA alleles but not polymorphisms of clozapine metabolizing enzyme systems are associated with CA and thus, underline the importance of imunogenetic mechanisms in the pathophysiology of this idiosyncratic drug reaction. In conclusion, the importance of biological markers for psychiatric research and future directions are discussed

Ein Schlüsselbefund der Parkinson-Krankheit auf zellulärer Ebene ist das Auftreten von Protein-Einschlusskörperchen, sogenannten Lewykörperchen. Der Hauptbestandteil dieser Lewykörperchen ist pathologisch aggregiertes, fibrilläres α-Synuklein, ein Protein, welches Einfluss auf präsynaptische Vesikel, Protein- und Enzymfunktionen sowie den Dopaminstoffwechsel und den axonalen Transport hat. Bis heute ungeklärt ist die Ursache der Aggregation des Proteins. Zahlreiche Forschungsaktivitäten werden in diese Richtung unternommen. Die pathologischen Mechanismen, die zur abnormen Aggregation von α-Synuklein führen, bleiben noch weitgehend unbekannt. Ein großer Teil der Literatur unterstützt die Hypothese, dass α-Synuklein bei Punktmutationen oder erhöhter Expression anfällig für Aggregationen ist und damit Neuronen geschädigt werden. Die Einzelheiten dieses sukzessiven Aggregationsprozesses und die Mechanismen, die dabei letztlich den Zelltod verursachen, bleiben unklar. Alterungsprozesse und Umweltfaktoren sind entscheidende Risikofaktoren. Obwohl es immer mehr Hinweise gibt, dass α-Synuklein-Aggregate eine wichtige pathophysiologische Rolle spielen, wird bisher noch unzulänglich verstanden, wie die für die dopaminergen Neurone toxische Wirkung entfaltet wird. Als gesicherter Pathomechanismus der Degeneration der dopaminergen Nervenzellen gilt ein erhöhter oxidativer Stress. Es wird vermutet, dass er zur Aggregation des α-Synukleins beitragen kann. Ziel dieser vorgelegten Arbeit ist es, durch die Verwendung eines geeigneten Zellkulturmodells zur Aufklärung der beschriebenen pathologischen Mechanismen beizutragen. In dieser Studie wurden zwei artifizielle Modellsubstanzen in einer dopaminergen Primärzellkultur eingesetzt, die Pestizide Rotenon und Paraquat, um die pathologischen Verhältnisse in der Substantia nigra zu simulieren. Sie erzeugen oxidativen Stress durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette bzw. Redoxreaktionen mit molekularem Sauerstoff, was zum dopaminergen Zelltod führt. Im Rahmen dieser Studie gelang es, beide Parkinson-Zellkulturmodelle anhand der Lokalisierung, des Aggregationsverhaltens, des Einflusses auf die Mikroglia-Aktivierung sowie des Abbaus von α-Synuklein näher zu charakterisieren. Hierzu wurde α-Synuklein durch Fluoreszenzfärbung, Westernblot und Immunpräzipitation analysiert. Eine kurzzeitige Behandlung mit hoch konzentrierten Toxinen löst eine akute Degeneration dopaminerger Neurone aus, die so nicht der des Idiopathischen Parkinsons entspricht. Beim IPS erfolgt die Degeneration über Jahre hinweg. Um auch den Einfluss der zellulären Alterung auf die α-Synuklein-Aggregation zu zeigen, wurden die in dieser Arbeit verwendeten Zellkulturen über 46 Tage kultiviert und die Pestizid-Konzentration so eingestellt, dass etwa 25-50 % der dopaminergen Neurone absterben. Es konnte gezeigt werden, dass es nach chronischer Behandlung mit dem jeweiligen Pestizid zu den verschiedenen Zeitpunkten Unterschiede in der Lokalisation sowie in der Konformation von α-Synuklein gibt. Die zum Vergleich nur bis zum Tag 11 kultivierten Zellkulturen zeigten nach kurzer Behandlung mit hochkonzentrierter Toxin-Menge eine Ansammlung von α-Synuklein im Soma, aber keine Auswanderung und Lokalisierung in und an den Neuriten, wie es nach chronischer Rotenon-Behandlung beobachtet werden konnte. Bei den Rotenon-behandelten Zellen ist ein Prozess der Verlagerung und Anhäufung des α-Synuklein aus dem Soma in die Neuriten bereits ab einem früheren Zeitpunkt zu beobachten als in den Kontrollen, welche sich aber mit zunehmendem Alter ähnlich verhalten. Außerdem konnte in den Kulturen, besonders bei den Rotenon-behandelten dopaminergen Neuronen, ein punktförmiges Verteilungsmuster und größere Ansammlungen des Proteins in den Neuriten beobachtet werden, was für eine aggregierte Form des α-Synukleins spricht. Diese Aggregate ließen sich durch die Proteo-Aggreosom-Färbung nachweisen. Auch der Nachweis von am Serin 129 phosphoryliertem α-Synuklein in diesen größeren Ansammlungen gilt als Zeichen für eine aggregierte Form. Die Beobachtung, dass α-Synuklein mit zunehmendem Kulturalter aus dem Soma in die Peripherie austritt, konnte bei der chronischen Paraquat-Behandlung so nicht getätigt werden. Unter Paraquat-Behandlung war keine Herauf-Regulierung der Gesamt-α-Synuklein Expression in der Kultur zu beobachten, wie dies sowohl bei Kontrolle als auch bei Rotenon der Fall ist. Wir vermuten im Paraquat-Modell, dass die sich im Soma ansammelnde Form von α-Synuklein durch vermehrte Einschleusung in den Zellkern zur Toxizität beitragen kann. Auch eine Interaktion von α-Synuklein mit der Zellmembran könnte unter Paraquat-Einfluss zum dopaminergen Zelltod beitragen. Durch Immunpräzipitation und Fluoreszenz-Doppelfärbung von α-Synuklein und Ubiquitin konnten wir den Abbau des fehlgefalteten α-Synukleins in der Zelle durch Ubiquitinierung nachweisen. Unter Rotenon ist ab DIV 14 eine starke Kolokalisation von α-Synuklein und Ubiquitin zu erkennen, die im Verlauf der Kultur nachlässt und nur noch in punktförmigen Aggregaten außerhalb der Zelle zu sehen ist. Unter Paraquat zeigte sich während der gesamten Kultivierung Polyubiquitinierung und Kolokalisation der beiden Proteine in der gesamten Zelle. Die Aggregationsform von α-Synuklein scheint das Proteinabbausystem durch Ubiquitinierung zu beeinflussen, da wir davon ausgehen, dass es sich bei der α-Synuklein-Konformation zu verschiedenen Zeitpunkten in den Paraquat-behandelten dopaminergen Neuronen nicht um die Aggregationsform handelt, die wir unter Rotenon beobachten konnten.

Ein Schlüsselbefund der Parkinson-Krankheit auf zellulärer Ebene ist das Auftreten von Protein-Einschlusskörperchen, sogenannten Lewykörperchen. Der Hauptbestandteil dieser Lewykörperchen ist pathologisch aggregiertes, fibrilläres α-Synuklein, ein Protein, welches Einfluss auf präsynaptische Vesikel, Protein- und Enzymfunktionen sowie den Dopaminstoffwechsel und den axonalen Transport hat. Bis heute ungeklärt ist die Ursache der Aggregation des Proteins. Zahlreiche Forschungsaktivitäten werden in diese Richtung unternommen. Die pathologischen Mechanismen, die zur abnormen Aggregation von α-Synuklein führen, bleiben noch weitgehend unbekannt. Ein großer Teil der Literatur unterstützt die Hypothese, dass α-Synuklein bei Punktmutationen oder erhöhter Expression anfällig für Aggregationen ist und damit Neuronen geschädigt werden. Die Einzelheiten dieses sukzessiven Aggregationsprozesses und die Mechanismen, die dabei letztlich den Zelltod verursachen, bleiben unklar. Alterungsprozesse und Umweltfaktoren sind entscheidende Risikofaktoren. Obwohl es immer mehr Hinweise gibt, dass α-Synuklein-Aggregate eine wichtige pathophysiologische Rolle spielen, wird bisher noch unzulänglich verstanden, wie die für die dopaminergen Neurone toxische Wirkung entfaltet wird. Als gesicherter Pathomechanismus der Degeneration der dopaminergen Nervenzellen gilt ein erhöhter oxidativer Stress. Es wird vermutet, dass er zur Aggregation des α-Synukleins beitragen kann. Ziel dieser vorgelegten Arbeit ist es, durch die Verwendung eines geeigneten Zellkulturmodells zur Aufklärung der beschriebenen pathologischen Mechanismen beizutragen. In dieser Studie wurden zwei artifizielle Modellsubstanzen in einer dopaminergen Primärzellkultur eingesetzt, die Pestizide Rotenon und Paraquat, um die pathologischen Verhältnisse in der Substantia nigra zu simulieren. Sie erzeugen oxidativen Stress durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette bzw. Redoxreaktionen mit molekularem Sauerstoff, was zum dopaminergen Zelltod führt. Im Rahmen dieser Studie gelang es, beide Parkinson-Zellkulturmodelle anhand der Lokalisierung, des Aggregationsverhaltens, des Einflusses auf die Mikroglia-Aktivierung sowie des Abbaus von α-Synuklein näher zu charakterisieren. Hierzu wurde α-Synuklein durch Fluoreszenzfärbung, Westernblot und Immunpräzipitation analysiert. Eine kurzzeitige Behandlung mit hoch konzentrierten Toxinen löst eine akute Degeneration dopaminerger Neurone aus, die so nicht der des Idiopathischen Parkinsons entspricht. Beim IPS erfolgt die Degeneration über Jahre hinweg. Um auch den Einfluss der zellulären Alterung auf die α-Synuklein-Aggregation zu zeigen, wurden die in dieser Arbeit verwendeten Zellkulturen über 46 Tage kultiviert und die Pestizid-Konzentration so eingestellt, dass etwa 25-50 % der dopaminergen Neurone absterben. Es konnte gezeigt werden, dass es nach chronischer Behandlung mit dem jeweiligen Pestizid zu den verschiedenen Zeitpunkten Unterschiede in der Lokalisation sowie in der Konformation von α-Synuklein gibt. Die zum Vergleich nur bis zum Tag 11 kultivierten Zellkulturen zeigten nach kurzer Behandlung mit hochkonzentrierter Toxin-Menge eine Ansammlung von α-Synuklein im Soma, aber keine Auswanderung und Lokalisierung in und an den Neuriten, wie es nach chronischer Rotenon-Behandlung beobachtet werden konnte. Bei den Rotenon-behandelten Zellen ist ein Prozess der Verlagerung und Anhäufung des α-Synuklein aus dem Soma in die Neuriten bereits ab einem früheren Zeitpunkt zu beobachten als in den Kontrollen, welche sich aber mit zunehmendem Alter ähnlich verhalten. Außerdem konnte in den Kulturen, besonders bei den Rotenon-behandelten dopaminergen Neuronen, ein punktförmiges Verteilungsmuster und größere Ansammlungen des Proteins in den Neuriten beobachtet werden, was für eine aggregierte Form des α-Synukleins spricht. Diese Aggregate ließen sich durch die Proteo-Aggreosom-Färbung nachweisen. Auch der Nachweis von am Serin 129 phosphoryliertem α-Synuklein in diesen größeren Ansammlungen gilt als Zeichen für eine aggregierte Form. Die Beobachtung, dass α-Synuklein mit zunehmendem Kulturalter aus dem Soma in die Peripherie austritt, konnte bei der chronischen Paraquat-Behandlung so nicht getätigt werden. Unter Paraquat-Behandlung war keine Herauf-Regulierung der Gesamt-α-Synuklein Expression in der Kultur zu beobachten, wie dies sowohl bei Kontrolle als auch bei Rotenon der Fall ist. Wir vermuten im Paraquat-Modell, dass die sich im Soma ansammelnde Form von α-Synuklein durch vermehrte Einschleusung in den Zellkern zur Toxizität beitragen kann. Auch eine Interaktion von α-Synuklein mit der Zellmembran könnte unter Paraquat-Einfluss zum dopaminergen Zelltod beitragen. Durch Immunpräzipitation und Fluoreszenz-Doppelfärbung von α-Synuklein und Ubiquitin konnten wir den Abbau des fehlgefalteten α-Synukleins in der Zelle durch Ubiquitinierung nachweisen. Unter Rotenon ist ab DIV 14 eine starke Kolokalisation von α-Synuklein und Ubiquitin zu erkennen, die im Verlauf der Kultur nachlässt und nur noch in punktförmigen Aggregaten außerhalb der Zelle zu sehen ist. Unter Paraquat zeigte sich während der gesamten Kultivierung Polyubiquitinierung und Kolokalisation der beiden Proteine in der gesamten Zelle. Die Aggregationsform von α-Synuklein scheint das Proteinabbausystem durch Ubiquitinierung zu beeinflussen, da wir davon ausgehen, dass es sich bei der α-Synuklein-Konformation zu verschiedenen Zeitpunkten in den Paraquat-behandelten dopaminergen Neuronen nicht um die Aggregationsform handelt, die wir unter Rotenon beobachten konnten.

Stimulator of interferon genes (STING) is activated after detection of cytoplasmic dsDNA by cGAS (cyclic GMP-AMP synthase) as part of the innate immunity defence against viral pathogens. STING binds TANK-binding kinase 1 (TBK1). TBK1 mutations are associated with familial amyotrophic lateral sclerosis, and the STING pathway has been implicated in the pathogenesis of further neurodegenerative diseases. To test whether STING activation is sufficient to induce neurodegeneration, we analysed a mouse model that expresses the constitutively active STING variant N153S. In this model, we focused on dopaminergic neurons, which are particularly sensitive to stress and represent a circumscribed population that can be precisely quantified. In adult mice expressing N153S STING, the number of dopaminergic neurons was smaller than in controls, as was the density of dopaminergic axon terminals and the concentration of dopamine in the striatum. We also observed alpha-synuclein pathology and a lower density of synaptic puncta. Neuroinflammation was quantified by staining astroglia and microglia, by measuring mRNAs, proteins and nuclear translocation of transcription factors. These neuroinflammatory markers were already elevated in juvenile mice although at this age the number of dopaminergic neurons was still unaffected, thus preceding the degeneration of dopaminergic neurons. More neuroinflammatory markers were blunted in mice deficient for inflammasomes than in mice deficient for signalling by type I interferons. Neurodegeneration, however, was blunted in both mice. Collectively, these findings demonstrate that chronic activation of the STING pathway is sufficient to cause degeneration of dopaminergic neurons. Targeting the STING pathway could therefore be beneficial in Parkinson’s disease and further neurodegenerative diseases.

The development of new therapeutical approaches, devised to foster the regeneration of neuronal circuits after injury and/or in neurodegenerative diseases, is of great importance. The impairment of dopaminergic projections is especially severe, because these projections are involved in crucial brain functions such as motor control, reward and cognition. In the work presented here, organotypic brain slice co-cultures of (a) the mesostriatal and (b) the mesocortical dopaminergic projection systems consisting of tissue sections of the ventral tegmental area/substantia nigra (VTA/SN), in combination with the target regions of (a) the striatum (STR) or (b) the prefrontal cortex (PFC), respectively, were used to evaluate different approaches to stimulate neurite outgrowth: (i) inhibition of cAMP/cGMP turnover with 3’,5’ cyclic nucleotide phosphodiesterase inhibitors (PDE-Is), (ii) blockade of calcium currents with nimodipine, and (iii) the co-cultivation with bone marrow-derived mesenchymal stromal/stem cells (BM-MSCs). The neurite growth-promoting properties of the tested substances and cell populations were analyzed by neurite density quantification in the border region between the two brain slices, using biocytin tracing or tyrosine hydroxylase labeling and automated image processing procedures. In addition, toxicological tests and gene expression analyses were conducted. (i) PDE-Is were applied to VTA/SN+STR rat co-cultures. The quantification of neurite density after both biocytin tracing and tyrosine hydroxylase labeling revealed a growth promoting effect of the PDE2A-Is BAY60-7550 and ND7001. The application of the PDE10-I MP-10 did not alter neurite density in comparison to the vehicle control. (ii) The effects of nimodipine were evaluated in VTA/SN+PFC rat co-cultures. A neurite growth-promoting effect of 0.1 µM and 1 µM nimodipine was demonstrated in a projection system of the CNS. In contrast, the application of 10 µM nimodipine did not alter neurite density, compared to the vehicle control, but induced the activation of the apoptosis marker caspase 3. The expression levels of the investigated genes, including Ca2+ binding proteins (Pvalb, S100b), immediate early genes (Arc, Egr1, Egr2, Egr4, Fos and JunB), glial fibrillary acidic protein, and myelin components (Mal, Mog, Plp1) were not significantly changed (with the exception of Egr4) by the treatment with 0.1 µM and 1 µM nimodipine. (iii) Bulk BM-MSCs that were classically isolated by plastic adhesion were compared to the subpopulation Sca-1+Lin-CD45--derived MSCs (SL45-MSCs). The neurite growth-promoting properties of both MSC populations were quantified in VTA/SN+PFC mouse co-cultures. For this purpose, the MSCs were seeded on glass slides that were placed underneath the co-cultures. A significantly enhanced neurite density within the co-cultures was induced by both bulk BM-MSCs and SL45-MSCs. SL45-MSCs increased neurite density to a higher degree. The characterization of both MSC populations revealed that the frequency of fibroblast colony forming units (CFU-f ) is 105-fold higher in SL45-MSCs. SL45-MSCs were morphologically more homogeneous and expressed higher levels of nestin, BDNF and FGF2 compared to bulk BM-MSCs. Thus, this work emphasizes the vast potential for molecular targeting with respect to the development of therapeutic strategies in the enhancement of neurite regrowth.

The development of new therapeutical approaches, devised to foster the regeneration of neuronal circuits after injury and/or in neurodegenerative diseases, is of great importance. The impairment of dopaminergic projections is especially severe, because these projections are involved in crucial brain functions such as motor control, reward and cognition. In the work presented here, organotypic brain slice co-cultures of (a) the mesostriatal and (b) the mesocortical dopaminergic projection systems consisting of tissue sections of the ventral tegmental area/substantia nigra (VTA/SN), in combination with the target regions of (a) the striatum (STR) or (b) the prefrontal cortex (PFC), respectively, were used to evaluate different approaches to stimulate neurite outgrowth: (i) inhibition of cAMP/cGMP turnover with 3’,5’ cyclic nucleotide phosphodiesterase inhibitors (PDE-Is), (ii) blockade of calcium currents with nimodipine, and (iii) the co-cultivation with bone marrow-derived mesenchymal stromal/stem cells (BM-MSCs). The neurite growth-promoting properties of the tested substances and cell populations were analyzed by neurite density quantification in the border region between the two brain slices, using biocytin tracing or tyrosine hydroxylase labeling and automated image processing procedures. In addition, toxicological tests and gene expression analyses were conducted. (i) PDE-Is were applied to VTA/SN+STR rat co-cultures. The quantification of neurite density after both biocytin tracing and tyrosine hydroxylase labeling revealed a growth promoting effect of the PDE2A-Is BAY60-7550 and ND7001. The application of the PDE10-I MP-10 did not alter neurite density in comparison to the vehicle control. (ii) The effects of nimodipine were evaluated in VTA/SN+PFC rat co-cultures. A neurite growth-promoting effect of 0.1 µM and 1 µM nimodipine was demonstrated in a projection system of the CNS. In contrast, the application of 10 µM nimodipine did not alter neurite density, compared to the vehicle control, but induced the activation of the apoptosis marker caspase 3. The expression levels of the investigated genes, including Ca2+ binding proteins (Pvalb, S100b), immediate early genes (Arc, Egr1, Egr2, Egr4, Fos and JunB), glial fibrillary acidic protein, and myelin components (Mal, Mog, Plp1) were not significantly changed (with the exception of Egr4) by the treatment with 0.1 µM and 1 µM nimodipine. (iii) Bulk BM-MSCs that were classically isolated by plastic adhesion were compared to the subpopulation Sca-1+Lin-CD45--derived MSCs (SL45-MSCs). The neurite growth-promoting properties of both MSC populations were quantified in VTA/SN+PFC mouse co-cultures. For this purpose, the MSCs were seeded on glass slides that were placed underneath the co-cultures. A significantly enhanced neurite density within the co-cultures was induced by both bulk BM-MSCs and SL45-MSCs. SL45-MSCs increased neurite density to a higher degree. The characterization of both MSC populations revealed that the frequency of fibroblast colony forming units (CFU-f ) is 105-fold higher in SL45-MSCs. SL45-MSCs were morphologically more homogeneous and expressed higher levels of nestin, BDNF and FGF2 compared to bulk BM-MSCs. Thus, this work emphasizes the vast potential for molecular targeting with respect to the development of therapeutic strategies in the enhancement of neurite regrowth.:Table of contents Abbreviations 1 1. Introduction 2 1.1 The dopaminergic system 2 1.2 Neurite regeneration following mechanical lesions of the CNS 7 1.3 Organotypic brain slice co-cultures 8 1.4 Promising substances and cells to enhance neuroregeneration 10 1.5 The aim of the thesis 14 2. The original research articles 16 2.1 Phosphodiesterase 2 inhibitors promote axonal outgrowth in organotypic slice co-cultures 17 2.2 Nimodipine enhances neurite outgrowth in dopaminergic brain slice co-cultures 35 2.3 Mesenchymal stem cells support neuronal fiber growth in an organotypic brain slice co-culture model 50 3. References 66 Appendices 73 Summary 73 Zusammenfassung 78 Curriculum Vitae 84 Track Record 85 Selbständigkeitserklärung 87 Acknowledgments 88

Restless legs syndrome (RLS) is a sensory-motor disorder characterized by abnormal circadian rhythm with an increase in the severity of sensory and motor symptoms at night. Even though many neurological diseases have shown a strong nexus between motor and cognitive symptoms, to date, cognitive functions especially cognitive control in RLS has been poorly understood. Given that cognitive control is a key to leading a self-serving and successful life, including many aspects of employment, social life, and attaining long-term goals, this thesis aimed to examine cognitive control and the underlying mechanisms in RLS. Thalamic gamma aminobutyric acid (GABA), which has been linked to RLS sensory-motor symptoms, also plays an important role in cognitive control. Therefore, the potential relationship between thalamic GABA level and cognitive control in RLS was examined (Study I). RLS patients displayed reduced working memory-based control performances as compared to healthy controls. Elevated thalamic GABA was found to attenuate the observed control deficits in RLS, even though changes in thalamic GABA levels might not be the ultimate causes of these deficits. According to the modulatory effect of thalamic GABA on thalamic activity and thalamo-cortical connectivity, relatively higher GABA levels may have helped RLS patients compensate for their pathological changes such as thalamic hyperactivity and hypoconnectivity, which may underpin the observed control deficits. The critical feature of RLS, abnormal circadian rhythm is thought to be related to nocturnal striatal dopamine deficiency. Concerning the dopaminergic modulation of cognitive control, the circadian variation of cognitive control processes has been investigated (Study II & III). RLS patients displayed reduced attentional control (Study II) and automatic response activation (Study III) at night, which resulted from decreased activation within the extra-striate visual cortex, the superior parietal cortex, and the premotor cortex. As there were no activity changes within the prefrontal cortex, it is likely that cortico-basal ganglia cognitive loops were less prone to RLS. Instead, striatal dopamine deficiency at night may have influenced the cortico-cortical functional connectivity and cortico-basal ganglia motor loops in RLS. These findings not only shed light on the underlying mechanisms of cognitive control, but also advance early clinical treatment possibilities for cognitive changes in RLS patients. Furthermore, recent insights into daytime-related cognition may help patients develop a suitable daytime schedule to minimize the detrimental effects induced by cognitive deficits.

Koordinierte Phosphorylierung der C-terminale Domäne von RNA Polymerase II (RNAPII) ist essentiell für eine effiziente Kupplung von naszierender RNA Synthese und co-transkriptionalem RNA Prozessierens. Zirkuläre RNAs (circRNAs) sind eine neue Klasse von RNA Molekülen mit hoher Prävalenz in neuronalen Zelltypen. Die Biogenese von circRNAs ist noch ungeklärt, insbesondere die Frage warum das Intron upstream der circRNA während der Transkription des circRNA Exons zurückbehalten wird um Rück-Spleißen zu ermöglichen. Verschiede Belege suggerieren, dass unzulängliche Rekrutierung des Spleiceosoms zur circRNA Formation führen kann. In dieser Arbeit untersuche ich die Mechanismen die zu Defekten in der Erkennung und des Spleißens des Introns upstream der circRNA führen. Mit diesem Ziel erfasste ich die genomweite Verteilung von chromatinassoziierter RNAPII mit verschiedenen Phosphorylierungen, sowie Spleißfaktoren und Transkriptionsreglern mittels ChIP-seq in neuronaler Differenzierung von murinen embryonalen Stammzellen zu dopaminergen und Motoneuronen. Während der gesamten Differenzierung, aber insbesondere in den differenzieren Neuronen, konnten circRNAs detektiert werden. In meiner Arbeit finde ich, dass circRNAs detektiert werden, wenn Gene hohe Levels an mRNA exprimieren und, dass die Produktion von circRNA mit einer Dysbalance zwischen dem Laden der RNA-Polymerase II auf die DNA und dem Rekruitieren der Splice-Maschinerie zusammen hängt. Um funktionell mit den Pausier-Mechanismen der RNA-Polymerase II zu interferieren, habe ich einen ''promotor-proximal-pausing'' Faktor depletiert. Dabei stellte ich fest, dass diese Depletion genügt, um die circRNA Levels in embryonalen Stamzellen zu erhöhen. Die Ergebnisse die in dieser Arbeit gezeigt werden, beschreiben die Beteiligung des Pausierens der RNA-Polymerase II and der Formierung von circRNAs. / Coordinated phosphorylation of RNA polymerase II (RNAPII) C-terminal domain is essential for efficient coupling of nascent RNA synthesis with co-transcriptional RNA processing events. Circular RNAs (circRNAs) are a novel class of RNAs whose biogenesis remains ill understood, namely why the upstream intron is not spliced before the circRNA-exon is fully transcribed. Indirect evidence suggests that altered spliceosome recruitment can lead to circRNA formation. To investigate the mechanisms that may be involved in deficient recognition and splicing of introns upstream of exons included in circRNAs, I mapped the chromatin occupancy of RNAPII phosphorylated forms, splicing factors, and transcription regulators by ChIP-seq during mouse ESC differentiation to dopaminergic and spinal motor neurons. CircRNAs are detected throughout differentiation, peaking in differentiated neurons, as expected. I found that circRNAs are detected when genes express high levels of mRNA, and that circRNA production is associated with an imbalance between RNAPII loading and recruitment of the splicing machinery. To mechanistically interfere with pausing mechanisms, I depleted an RNAPII promoter-proximal pausing factor, and found that it was sufficient to increase the formation of circRNAs in stem cells. Results shown in this work implicate RNAPII regulation mechanisms in the formation of circRNAs.