Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 2006 / Hergestellt on demand

Universiẗat, Diss., 1996--Konstanz.

Universiẗat, Diss., 2002--Münster (Westfalen).

University, Diss., 2006--Frankfurt (Main).

Aus vorherigen Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe war bekannt, dass der TRPV1 Hitzerezeptor im Vogel sich vom TRPV1 der Säugetiere hinsichtlich der Capsaicinsensitivität und der Regulation der Expression durch NGF unterscheidet. Unterschiede in den Eigenschaften zwischen beiden Hitzerezeptorsubtypen könnten Rückschlüsse auf funktionelle Strukturen des Säugetier TRPV1 erlauben. In der vorliegenden Arbeit war die übergreifende Fragestellung, ob sich beide Hitzerezeptorsubtypen auch hinsichtlich ihrer Protonensensitivität unterscheiden. Für die Untersuchungen wurden Spinalganglienneurone von Küken isoliert und kultiviert. Mit Hilfe der Cobalt-uptake Methode wurde der Anteil der Neurone bestimmt, die funktionell den Hitzerezeptor TRPV1 exprimieren. Diese Experimente wurden nach 1, 2 und 3 Tagen unter Kulturbedingungen durchgeführt, um eine mögliche Veränderung mit der Zeit zu erfassen. Weiterhin wurde untersucht, ob durch Protonen der Anteil hitzesensitiver Neurone beeinflusst wird. Hierfür wurden die Somata nach einem Tag unter Kulturbedingungen in Kombination von Hitze und Protonen stimuliert. Um eine Sensibilisierung der Hitzeantwort durch Protonen in einzelnen Neuronen zu untersuchen, wurde mit Hilfe der Patch-clamp Technik in der whole-cell Konfiguration die Amplitude von Hitze-und protoneninduzierten Gesamteinwärtsströmen untersucht. Zunächst wurde mit der Cobalt-uptake Methode untersucht, ob der Anteil hitzesensitiver Neurone durch Protonen von der Zeit unter Kulturbedingungen beeinflusst wird. Bei einer Temperatur von 44°C stieg der Prozentsatz hitzesensitiver Neurone innerhalb der ersten 3 Tage unter Kulturbedingungen an, unabhängig von der Protonenkonzentration (pH 7,4, pH 6,6 und pH 5,8). Die nächste Frage war, wie hoch der Anteil protonensensitiver Neurone bei Raumtemperatur ist. Hierfür wurden die Zellen nach einem Tag in Zellkultur mit einem Medium von pH 7,4, pH 6,6, pH 6,2 oder pH 5,8 stimuliert. Es zeigte sich ein Anstieg von 3,3% ± 0,5% bei pH 7,4 auf 35,0% ± 4,0% bei pH 5,8. Im Folgenden wurde der Frage nachgegangen, ob dieser Anstieg temperaturabhängig ist. Hierfür wurden entsprechende Experimente bei 37°C, 40°C und 44°C nach einem Tag unter Kulturbedingeungen durchgeführt. Im Vergleich war bei 37°C der Anteil positiver Neurone bereits bei 6,2 so hoch wie bei Raumtemperatur bei pH 5,8. Mit weiter zunehmender Temperatur verringerte sich jedoch der Anteil positiver Neurone mit steigendem pH. So war bei 44°C und pH 5,8 nur noch ein geringer Anstieg zu verzeichnen. Im letzten Teil der Arbeit wurde mit Hilfe der Patch-clamp Technik hitze- und protoneninduzierte Einwärtsströme gemessen. Es konnte exemplarisch gezeigt werden, dass die Amplitude des hitzeinduziereten Einwärtsstroms temperaturabhängig ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Amplitude des hitzeinduzierten Einwärtsstroms bei einem Medium von pH 6,6 im Vergleich zu pH 7,4 deutlich ansteigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Küken TRPV1 ähnlich wie der der Säugetiere durch Protonen in Konzentrationen, die im entzündlichen Gewebe vorkommen, sensibilisiert werden kann. Es kommt sowohl zu einer Rekrutierung von weiteren hitzesensitiven Neuronen also auch zu einer verstärkten Antwort bereits hitzesensitiver Neurone. / From previous publications of the work group it was already known that the TRPV1 heat receptor of birds differs from the TRPV1 of mammals in regards to the capsaicin sensitivity and the regulation of the expression by NGF. Differences in properties between the two heat receptor subtypes might allow conclusions on functional structures of the mammal TRPV1. In the study it was examined whether both subtypes of heat receptors also differ concerning their sensitivity of proton. For this analyzes, spinal ganglion neurons of chicks were isolated and cultivated. By means of the cobalt-uptake method the percentage of neurons was identified which functionally expresses the heat receptor TRPV1. These experiments were conducted after 1,2 and 3 days in culture conditions to be able to evaluate a possible change over time. Further on it was examined whether the percentage of heat sensitive neurons is influenced by proton. For this, the neurons were stimulated after one day in culture conditions in combination of heat and proton. To study the sensitisation of the heat response through proton within single neurons, the amplitude of heat and proton induced total ionic currents was examined by using the patch-clamp method in the whole-cell configuration. As a start, it was examined by means of the cobalt-uptake method whether the percentage of heat sensitive neurons is influenced by proton over time in culture conditions. At a temperature of 44°C the percentage of heat sensitive neurons increased within the first 3 days in culture conditions independently on the concentration of proton (pH 7,4, pH 6,6 and pH 5,8). The next question was the percentage of proton sensitive neuron at room temperature. For this, the cells were stimulated after one day in cell culture with a medium of pH 7,4, pH 6,6, pH 6,2 or pH 5,8. An increase of 3,3% ± 0,5% at pH 7,4 up to 35,0% ± 4,0% at pH 5,8 could be identified. In the following it was evaluated whether this increase is dependent on temperature. Therefore, experiments at 37°C, 40°C and 44°C after one day in culture conditions were conducted. In comparison at 37°C the percentage of positive neurons was already at 6,2 as high as at room temperature at pH 5,8. With a further increasing temperature, the percentage of positive neurons decreased with increasing pH values. Thus, at 44°C and pH 5,8 only a little further increase could be identified. In the last part of the study, heat and proton induced ionic currents were measured by using the patch-clamp method. Exemplarily it could be demonstrated that the amplitude of heat induced ionic currents is dependent on temperature. Further on it could be demonstrated that the amplitude of the heat induced ionic current significantly increases at a medium of pH 6,6 compared to a pH of 7,4. The results of this study show that the TRPV1 of chicks similarly to the one of mammals can be sensitized by proton in concentrations as they exist in inflamed tissue. This results in a recruiting of additional heat sensitive neurons as well as an intensified response of already heat sensitive neurons.

N-Cadherin, ein Mitglied der klassischen Cadherin Familie vermittelt durch homophile Bindungen der extrazellulären Domänen (EZD) zwischen benachbarten Zellen Zell-Zell-Kontakte. Im Nervensystem kontrolliert es zahlreiche Aufgaben wie beispielsweise die Ausbildung von Synapsen, die synaptische Plastizität, das Auswachsen von Axonen und deren richtungsgezielte Orientierung. In Untersuchungen zum Axonwachstum von cerebellären Körnerzellen konnte von Doherty et al. (1995, 1996) gezeigt werden, dass die isolierte EZDI-V von N-Cadherin über den FGFR-1 (Fibroblastenwachstumsfaktor-Rezeptor-1) ein richtungsvermitteltes Auswachsen von Axonen verursacht. Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein Bindungsmodell erstellt (Doherty et al., 1996). Dieses geht davon aus, dass zwischen transdimeren N-Cadherin-Molekülen, über die Aminosäuren IDPVNGQ der EZD Wechselwirkungen mit den Aminosäuren HAV der EZD von FGFR-1 auftreten (siehe hierzu Abb. 17). Der dadurch dimerisierte FGFR-1 bewirkt innerhalb der Nervenzelle eine intrazelluläre Signaltransduktion, die in einem zielgerichteten Axonwachstum resultiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, dieses Bindungsmodell näher zu untersuchen. Ausgehend von den für N-Cadherin und FGFR-1 kodierenden cDNAs und entsprechenden Vektorsystemen wurden in CHO-Zellen stabile Zelllinien erstellt. Das zugrundeliegende Expressionssystem führte zu einem Ausschleusen der für die Experimente notwendigen Fc-Fusionsproteine in den Kulturüberstand. Eine daran anschließende auf Protein A basierende Affinitätschromatographie des Kulturüberstandes ermöglichte die Isolierung und Anreicherung der Fc-Fusionsproteine. Desweiteren wurden Expressionsvektoren verwendet, die für subzelluläre Lokalisationsuntersuchungen verwendet wurden. Zu Beginn der Bindungsstudien wurde Untersuchungen zum Axonwachstum cerebellärer Körnerzellen durchgeführt. Diese dienten zum einen der Überprüfung der von Doherty und Walsh (1996) durchgeführten Experimente zum Längenwachstum cerebellärer Körnerzellen in Gegenwart ausgewählter Zelladhäsionsmoleküle (NCAM, L1 und N-Cadherin), zum anderen dienten sie der Überprüfung der Funktionalität der FGFR-1-und N-Cadherin-spezifischen Peptide (HAV und IDPVNGQ). Wie zu erwarten wurde durch Zugabe von N-Cadherin EZDI-V ein Axonlängenwachstum festgestellt, dass durch Zugabe der HAV- und IDPVNGQ-Peptide inhibiert wurde. Für den Auschluß der Wirkung von Fremdproteinen wurden in der vorliegenden Arbeit direkte Bindungsstudien durchgeführt. Hierzu wurden sowohl ELISA- als auch in Dot-Blot-Experimente durchgeführt. Diese ergaben eine Wechselwirkung der EZD von FGFR-1 und N-Cadherin. Eine von DsRed-FGFR-1 abhängige Lokalisation von GFP-N-Cadherin in CHO-Zellen deutete ebenfalls auf eine Interaktion hin. Nähere Bindungsstudien zeigten, dass die Bindungsmotive IDPVNGQ und HAV für eine Wechselwirkung der FGFR-1- und N-Cadherin-spezifischen EZDs bedeutungslos sind. Auch an der Laserpinzette durchgeführte Untersuchungen ergaben, das Wechselwirkungen zwischen N-Cadherin (auf Mikroperlen immobilisiert) und PC12-Zellen in Gegenwart der inhibierenden IDPVNGQ- und HAV-Peptide nicht verhindert werden konnten. Zusammenfasssend ist es gelungen zum ersten Mal eine direkte Wechselwirkung zwischen N-Cadherin und FGFR-1 nachzuweisen. Allerdings konnte in Kompetitionsexperimenten eine Bedeutung der postulierten Bindungsmotive nicht bestätigt werden. / N-cadherin, a member of the classic cadherin family, mediates intercellular contacts between neighbouring cells through homophile bonds. In the nervous system, it is involved in numerous functions, such as the formation of synapses, synaptic plasticity, the development of axons and their spatio-controlled orientation. In studies regarding axonal growth of cerebellar granule cells, Doherty et al., (1995, 1996) were able to demonstrate that the isolated extracellular domain I-V (ECDI-V) of N-cadherin together with FGFR-1 (Fibroblast Growth Factor Receptor-1) induces directional development of axons. Based on these observations, a bonding model was derived (Doherty et al., 1996), assuming that ECD-directed interactions with the HAV amino acids of the FGFR-1-ECD occur via the IDPVNGQ amino acids from the ECD of N-cadherin (see Fig. 17). Consequently, dimerized FGFR-1 induce intracellular signalling within the nerve cells, resulting in continuous axonal growth. The aim of this thesis was to examine the bonding model in more detail. In order to conduct studies of interactions between N-cadherin and FGFR-1 respective expression vectors were constructed and used to generate stable cell lines for protein production. Subsequent to expression and secretion of the fusion proteins into the supernatant, purification was performed by protein A-specific affinity chromatography. In addition expression vectors were generated suitable for investigating subcellular localization of N-cadherin-GFP in the presence /absence of FGFR-1-dsRed. Initial binding studies were conducted on cerebellar granule cells, firstly to confirm CAM-dependency of axonal growth as shown by Doherty and Walsh (1996) and secondly functionality of the inhibitory FGFR-1- and N-cadherin-specific peptides (HAV and IDPVNGQ) on N-cadherin binding activity. As expected, addition of N-cadherin EZDI-V to cerebellar granule cells resulted into axonal growth, whereas the presence of the inhibitory HAV- und IDPVNGQ-peptides reduced binding of N-cadherin EZDI-V to cerebellar granule cells significantly. To exclude unspecifity of protein interactions in such complex binding studies, protein-protein interactions were performed by either ELISA- and Dot-Blot-Assays. In both assays interaction between the ECD of N-cadherin and FGFR-1 was detected. FGFR-1-dsRed-dependent localization of N-cadherin-EGFP in CHO-cells additionally indicated interaction between both proteins. Detailed binding studies revealed no effect of the inhibitory binding peptides HAV und IDPVNGQ on the ECD-interaction of N-cadherin and FGFR-1. Supporting these results was the observation, that in laser tweezer experiments binding of N-cadherin EZDI-V (immobilized onto microbeads) to cultured PC-12 cells could not be prevented by the inhibitory binding peptides HAV und IDPVNGQ. In conclusion, this thesis demonstrates for the first time binding of the ECD of N-cadherin to that of FGFR-1. However, the significance of the binding motives HAV und IDPVNGQ for N-cadherin/FGFR- interaction could not be confirmed in competition experiments and remains questionable.

Advanced Glycation Endproducts (AGEs) entstehen aus nicht-enzymatisch glykierten Proteinen. In einer Folge von Dehydratations-, Kondensations- und Oxidationsschritten entsteht ein heterogenes Gemisch aus farbigen, fluoreszierenden Verbindungen. AGE-modifizierte Proteine sind unlöslich und proteaseresistent, bei ihrer Bildung entstehen freie Radikale und andere reaktive Intermediate. Von der AGE-Bildung betroffen sind vor allem langlebige Proteine mit geringem Umsatz wie Kollagen und Kristallin aber auch pathologische Proteinablagerungen, z.B. in der Alzheimer´schen Demenz (AD). Die Akkumulation von AGEs spielt in der Pathogenese von Komplikationen des Diabetes und der Hämodialyse eine Rolle, für die AD wird eine Beteiligung von AGEs am Krankheitsverlauf diskutiert. Die Alzheimer´sche Demenz ist gekennzeichnet durch den histologischen Nachweis seniler Plaques und neurofibrillärer Bündel in Hirngewebe der Patienten. Auf Ebene des Stoffwechsels kommt es zu einer Verringerung des zerebralen Glukoseumsatzes, es finden sich Marker sowohl für eine Akutphasenreaktion als auch für oxidativen Stress. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die AGE-Bildung in vitro die Aggregation von ßA4, dem Hauptbestandteil der senilen Plaques in der AD, beschleunigt. Der geschwindigkeits-bestimmende Schritt ist dabei die Glykierung des ßA4-Monomers. Durch Zugabe von Übergangsmetall-ionen kann die Vernetzung weiter beschleunigt werden. Dies deutet darauf hin, dass AGEs zur Plaquebildung in der AD beitragen, redox-aktive Eisenionen sind in der AD mit den Plaques assoziiert. Mit Hilfe von Metallchelatoren, Antioxidantien oder mit Substanzen, welche die zur Vernetzung notwendigen Aminogruppen abblocken, lässt sich die Aggregation von ßA4 verlangsamen oder verhindern. AGEs wirken zytotoxisch auf BHK 21 Fibroblasten und humane SH-SY5Y Neuroblastoma Zellen. Die Toxizität unterschiedlicher Modell-AGEs ist abhängig von verschiedenen Faktoren, u.a. von dem zur Herstellung verwendeten Protein und vom Zucker. Die LD50 der Modell-AGEs korreliert mit dem AGE-Gehalt und der Radikalproduktion der Präparationen in vitro. Die AGE-Toxizität ist hauptsächlich radikalvermittelt. Oxidativer Stress lässt sich in AGE-behandelten Zellen durch die Bildung intrazellulärer Lipidperoxidationsprodukte nachweisen. Auf Ebene der Signaltransduktion konnte die Aktivierung des Transkriptions-faktors NfkB als Zeichen der Stressabwehr nachgewiesen werden. Die Gabe von Antioxidantien vor oder gleichzeitig mit den AGEs verringerte den Zelltod. Auch durch das Blockieren des Rezeptors für AGEs (RAGE) mit spezifischen Antikörpern konnte die Zahl überlebender Zellen gesteigert werden. Durch AGEs ausgelöster Stress führt in Neuroblastoma Zellen bereits in Konzentrationen unterhalb der LD50 zu Störungen im Redoxstatus, es kommt zur Depletion von GSH und zu Verschiebungen im Verhältnis GSH/GSSG. Damit einher gehen Veränderungen im Energiestoffwechsel der Zelle, nach anfänglich erhöhter Glukoseaufnahme kommt es im weiteren Verlauf der Inkubation zu einer Verringerung der Aufnahme von Glukose aus dem Medium, gefolgt von einer Zunahme der Laktatausschüttung. Ausserdem wurde eine Depletion von ATP um bis zu 50 Prozent nachgewiesen. Antioxidantien können die Störungen im Metabolismus der Zellen verhindern oder abschwächen, die meisten der getesteten Substanzen konnten Redoxstatus und ATP-Gehalt der Zellen zu normalisieren. Obwohl sich in AGE-gestressten Zellkulturen durch Annexin-Fluorescein-Markierung ein geringfügig erhöhter Prozentsatz apoptotischer Zellen nachweisen ließ und AGEs auch die Freisetzung von Cytochrom c ins Zytoplasma induzieren, verläuft der durch AGEs ausgelöste Zelltod verläuft offenbar insgesamt nekrotisch. Sowohl durch Radikalproduktion als auch über rezeptorvermittelte Signalwege verursachen AGEs oxidativen Stress und induzieren Veränderungen im Metabolismus der Zelle. Dies führt u. a. dazu, dass für die antioxidativen Schutzmechanismen der Zelle nicht mehr genügend Energie zur Verfügung steht. AGE-Stress trägt damit in einer selbstverstärkenden Reaktionskaskade zur Neurodegeneration bei und kann so an der Pathogenese der AD beteiligt sein. Antioxidantien und auch AGE-Inhibitoren könnten einen interessanten Ansatz zur Entwicklung alternativer Therapien in der AD darstellen. / One of the most important post-translational modification of proteins is the non-enzymatic attachment of reducing sugars. Subsequent oxidations, dehydrations and rearrangements produce a heterogenous group of heterocyclic, coloured and fluorescent compounds termed "advanced glycation endproducts" (AGEs). In the course of their formation, free radicals and other reactive intermediates are created. AGE-modified proteins are resistant to proteases, their formation is irreversible. They accumulate on long-lived proteins with slow turn-over, e.g. on collagen or eye lens cristallin and on pathological protein deposits, e.g. in Alzheimer´s diease (AD). Accumulation of AGEs also occurs in the diabetic kidney and is discussed to be of importance in the etiology of AD. The pathology of Alzheimer´s disease involves accumulation of intra and extracellular protein aggregates like senile plaques and tangles. Further hallmarks are a reduction of glucose metabolism in the affected brain areas, together with signs for an acute phase response and for oxidative stress. In vitro experiments showed that AGEs accelerate the crosslinking of ßA4, the major component of senile plaques in AD. Since glycation of the peptide monomer is the first step of this reaction, this points to a participation of glycation in plaque-formation in AD. The formation of covalently crosslinked hight-weight ßA4 oligomers is further accelerated by micromolar amounts of copper and iron ions. Formation of these AGE-crosslinks can be inhibited by agents which are able of capping amino-groups, by metall chelators and by antioxidants, suggesting that these drugs may have the potential to slow down the formation of insoluble protein deposits in vivo AGEs have a direct toxic effect on BHK 21 fibroblasts and human SH-SY5Y neuroblastoma cells. AGE-modification renders proteins cytotoxic, the toxicity of a protein increases with the total AGE-content and depends from the modified protein. The LD50 of a model-AGE can be correlated with the in vitro radical production by the modified protein. On the level of signal transduction, AGEs induce the activation of the nuclear transcription factor kB as a stress response in neuroblastoma cells. AGEs enhance the formation of intracellular lipid-peroxidation products as markers for oxidative stress. AGE-toxicity is mediated by ROS and oxidative stress since various antioxidants were able to attenuate AGE-induced cell death. The receptor for AGEs (RAGE) appeared to be involved in AGE-toxicity as well, because blocking of RAGE with neutralizing antibodies increased the percentage of vital cells after AGE-treatment. The AGE-induced cell death shows signs of an initial apoptotic, final necrotic pathway. Though the percentage of annexin positive, apoptotic cells is slighly increased in cell cultures treated with sublethal amounts of AGEs and cytochrome c is released in the cytoplasma no activation of caspase-3 was found. AGE-induced stress leads to an imbalance in the cellular redox-status, recognizable by a shift in the GSH/GSSG ratio and a depletion of intracellular glutathione. This is accompanied by changes in the cells glucose metabolism and impairment of energy production. During the first hours of AGE-stress glucose uptake of the cells was increased. After this time point almost no further uptake of glucose from the medium was detectable but hight amounts of lactate were released. The ATP content of the cells was reduced up to 50 per cent. Administration of antioxidants together with or before administration of AGEs normalized ATP-levels as well as glucose uptake and lactate release. Interaction of AGEs with cells has been shown to cause oxidative stress, not only by receptor mediated pathways but also by production of free radicals by chemical oxidation and degradation of AGEs. This causes metabolic dysfunctions, energy depletion and impairment of the cells antioxidative defense. In the AD brain, this may lead to neurodegeneration and cell death, suggesting a role of AGEs in the pathogenesis of this disease. The results encourage the use of membrane permeable antioxidants in novel treatment strategies of AD. AGE-inhibitors may represent an interesting approach to slow down plaque formation.

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.

In their natural environment animals face complex and highly dynamic olfactory input. This requires fast and reliable processing of olfactory information, in vertebrates as well as invertebrates. Parallel processing has been shown to improve processing speed and power in other sensory systems like auditory or visual. In the olfactory system less is known about olfactory coding in general and parallel processing in particular. With its elaborated olfactory system and due to their specialized neuroanatomy, honeybees are well-suited model organism to study parallel olfactory processing. The honeybee possesses a unique neuronal architecture - a dual olfactory pathway. Two mirror-imaged output projection neuron (PN) pathways connect the first olfactory processing stage, the antennal lobe (analog to the vertebrates olfactory bulb, OB), with the second, the mushroom body (MB) known to be involved in orientation and learning and memory, and the lateral horn (LH). The medial antennal lobe-protocerebral tract (m-APT) first innervates the MB and thereafter the LH, while the other, the lateral-APT (l-APT) projects in opposite direction. The neuroanatomy and evolution of these pathways has been analyzed, yet little is known about its physiology. To analyze the function of the dual olfactory pathway a new established recording method was designed and is described in the first chapter of this thesis (multi-unit-recordings). This is now the first time where odor response from several PNs of both tracts is recorded simultaneously and with high temporal precision. In the second chapter the PN odor responses are analyzed. The major findings are: both tracts responded to all tested odors but with differing characteristics. Since recent studies describe the input to the two tracts being rather similar, the results now indicate differential odor processing along the tracts, therefore this is a good indicator for parallel processing. PNs of the m-APT process odors in a sparse manner with delayed response latencies, but with high odor-specificity. PNs of the l-APT in contrast respond to several odor stimuli and respond in general faster. In some PN originating from both tracts, characteristics of odor-identity coding via response latencies were found. Analyzing the over-all dynamic range of the PNs both l- and m-APT PNs were tested over a large odor concentration range (10-6 to 10-2) (3. chapter). The PNs responded with linear and non-linear correlation of the response strength to the odor concentration. In most cases the l-APT is comparatively more sensitive to low odor concentrations. Response latency decreases with increasing odor concentration in both tracts. Alternative coding principles and elaboration on the hypothesis whether the dual olfactory pathway may contribute coincidental innervation to the next higher-order neurons, the Kenyon cells (KC), is subject of the 4. chapter. Cross-correlations and synchronous responses of both tracts show that in principle odors may be coded via temporal coding. Results suggest that odor processing is enhanced if both tracts contribute to olfactory coding together. In another project the distribution of the inhibitory neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) was measured in the bee’s MB during adult maturation (5. chapter). GABAergic inhibition is of high importance in odor coding. An almost threefold decrease in the total amount of GABAergic innervation was found during adult maturation in the l- and m-APT target region, in particular at the change in division of labor during the transition from a young nurse bee to an older forager bee. The results fit well into the current understanding of brain development in the honeybee and other social insects during adult maturation, which was described as presynaptic pruning and KC dendritic outgrowth. Combining anatomical and functional properties of the bee’s dual olfactory pathway suggests that both rate and temporal coding are implemented along two parallel streams. Comparison with recent work on analog output pathways of the vertebrate’s OB indicates that parallel processing of olfactory information may be a common principle across distant taxa. / In ihrem natürlichen Lebensraum sind Lebewesen mit komplexen und hoch dynamischen olfaktorischen Reizen konfrontiert, was eine schnelle und zuverlässige Duft-Verarbeitung sowohl bei Insekten als auch bei Wirbeltieren erfordert. Im visuellen oder auditorischen System wird sensorischer Eingang durch Parallel-Verarbeitung schneller und effektiver an höhere Gehirnzentren übertragen und verarbeitet. Im olfaktorischen System ist generell und im speziellen über Parallel-Verarbeitung noch wenig bekannt. Die Honigbiene stellt jedoch mit ihrer hoch spezialisierten Duftwahrnehmung und ihrem Duft und Pheromon gesteuerten Verhalten aufgrund ihrer Neuroanatomie einen besonderen Modelorganismus für die Erforschung der Duftverarbeitung und insbesondere der olfaktorischen Parallel-Verarbeitung dar. Honigbienen besitzen „duale olfaktorische Bahnen“, die ausschließlich in Hymenopteren (Bienen, Ameisen, Wespen) als Merkmal ausgeprägt sind. Gebildet werden sie aus zwei spiegelbildlichen Projektions-Neuronen (PN) Ausgangs-Trakten, die das erste olfaktorische Verarbeitungs-Zentrum, den Antennal-Lobus (vergleichbar mit dem Olfaktorischen Bulbus der Wirbeltiere, OB) mit sekundären Verarbeitungszentren, dem Pilzkörper (MB) und dem lateralen Horn (LH) verbinden. Der mediale Antennal-Lobusprotocerebrale Trakt (m-APT) innerviert erst den MB und dann das LH, der laterale Trakt (l-APT) projiziert in umgekehrter Reihenfolge. Der MB ist bei Orientierung, Lernen und Gedächtnis involviert, über die Funktion des LH ist in der Biene noch wenig bekannt. Über die Neuroanatomie und Evolution dieser dualen Bahnen wurde viel geforscht, die Funktion und damit ihre Physiologie sind allerdings noch unzureichend aufgeklärt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich deshalb mit der Duftverarbeitung im Bienengehirn und im Speziellen mit Parallelverarbeitung in der Olfaktorik. Für die Aufklärung wurde eine neu entwickelte und in dieser Dissertation beschriebene Messmethode etabliert (1. Kapitel). Mit Hilfe dieser Messapparatur (Multi-Unit Recordings) ist es jetzt das erste Mal möglich, hoch-zeitaufgelöst simultan aus beiden Trakten mehrere PNs auf unterschiedliche Düfte hin zu untersuchen. Das 2. Kapitel beschäftigt sich eingehender mit der Analyse von Duftanworten der PN. Die Hauptergebnisse sind, dass beide Trakte auf alle getesteten Düfte regieren, dies aber mit unterschiedlichen Charakteristiken tun. Da gezeigt wurde, dass beide Trakte ähnlichen olfaktorischen Eingang erhalten, die Trakte aber Düfte unterschiedlich verarbeiten, stellen diese Ergebnisse ein erstes Indiz für Parallelverarbeitung im olfaktorischen System der Biene dar. M-APT PN reagieren mit Zeitverzögerung und duftspezifisch, d.h. selektiver auf Düfte. Dagegen reagieren l-APT PN vergleichsweise schneller und duft-unspezifischer auf die in dieser Arbeit verwendeten Düfte. In einigen PN beider Trakte wurde gefunden, dass die PN Duft-Identitäten über duftspezifische Antwort-Latenzen abgebildet werden können. Um Aufschluss über die Gesamtdynamik der PN zu gewinnen, wurden l- und m-APT PN Antworten über weite Duftkonzentrationen (10-6 bis 10-2) hin untersucht (3. Kapitel). Die PN reagierten mit linearen und nicht-linearen Korrelationen. Zudem sind in den meisten Fällen l-APT PN bei schwachen Duftkonzentrationen sensitiver. Die Antwort-Latenz ist zur Duftkonzentration in beiden Trakten negativ-proportional. Alternative Kodierungsmöglichkeiten und die Ausarbeitung der Hypothese, dass die dualen Bahnen eine Koinzidenzverschaltung auf die nächst höheren Neurone, die Kenyon Zellen (KC), bilden könnten, wird im 4. Kapitel behandelt. Dazu zeigen Kreuz-Korrelationsanalysen und synchrone Antwortmuster aus beiden Trakten, dass prinzipiell Düfte auch über Zeit-Kodierung verarbeitet werden können. Generell zeigt sich, dass die dualen olfaktorischen Bahnen eine verbesserte Duftkodierung gegenüber einem Trakt gewährleisten. In einem weiteren Ansatz wurde die alterskorrelierte Plastizität der inhibitorischen GABAergen (gamma-Aminobuttersäure) Innervation im Pilzkörper der Biene während der Adult-Reifung bestimmt (5. Kapitel). Inhibition ist für olfaktorische Kodierung sehr wichtig. Eine fast dreifache Reduktion in der Gesamtmenge von GABA wurde während der Adult-Reifung in beiden Zielregionen der dualen olfaktorischen Bahn gleichermaßen gefunden. Dieser Effekt wurde mit einer insgesamt halbierten GABA Innervierung ebenfalls im visuellen Innervationsgebiet des MB gefunden. Die Ergebnisse passen gut in das derzeitige Verständnis von Adultplastizität der Pilzkörper in der Honigbiene, in denen eine Ausdünnung (Pruning) präsynaptischer Endigungen von PN und ein Auswachsen von KC-Dendriten beschrieben wurde. Aus den neuroanatomischen und physiologischen Eigenschaften der dualen olfaktorischen Bahnen lässt sich schlussfolgern, dass Düfte sowohl über Raten- als auch Zeit-Kodierung bis hin zu Koinzidenz-Verschaltungen verarbeitet werden können. Zudem zeigen derzeitige Arbeiten über analoge Ausgangs-Trakte im OB von Wirbeltieren, dass Parallelverarbeitung im olfaktorischen System ein allgemeines Kodierungsprinzip über weit entfernte Taxa zu sein scheint.

Cadherin-13 (CDH13) is an atypical member of the cadherin superfamily, a group of membrane proteins mediating calcium-dependent cellular adhesion. Although CDH13 shows the classical extracellular cadherin structure, the typical transmembrane and cytoplasmic domains are absent. Instead, CDH13 is attached to the cell membrane via a glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor. These findings and many studies from different fields suggest that CDH13 also plays a role as a cellular receptor. Interestingly, many genome-wide association studies (GWAS) have found CDH13 as a risk gene for attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) and other neurodevelopmental disorders. In previous work from our research group, strong expression of Cdh13 mRNA in interneurons of the hippocampal stratum oriens (SO) was detected. Therefore, double-immunofluorescence studies were used to evaluate the degree of co-expression of CDH13 with seven markers of GABAergic interneuron subtypes. For this purpose, murine brains were double stained against CDH13 and the respective marker and the degree of colocalization in the SO of the hippocampus was assessed. Based on the result of this immunofluorescence study, quantitative differences in interneuron subtypes of the SO between Cdh13 knockout (ko), heterozygote (het) and wildtype (wt) mice were investigated in this dissertation using stereological methods. In addition, genotype- dependent differences in the expression of genes involved in GABAergic and glutamatergic neurotransmission were analyzed by quantitative real-time PCR (qRT-PCR). Primers targeting different GABA receptor subunits, vesicular GABA and glutamate transporter, GABA synthesizing enzymes and their interaction partners were used for this purpose. The results of the stereological quantification of the interneuron subtypes show no significant differences in cell number, cell density or volume of the SO between Cdh13 ko, het and wt mice. On the other hand, qRT-PCR results indicate significant differences in the expression of tropomyosin-related kinase B gene (TrkB), which encodes the receptor of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a regulator of GABAergic neurons. This finding supports a role for CDH13 in the regulation of BDNF signaling in the hippocampus. / Cadherine sind eine große Gruppe von calciumabhängigen Typ-1 Transmembranproteinen, die an der Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten beteiligt sind. Cadherin-13 (CDH13) ist ein atypisches Mitglied dieser Proteinfamilie. Obwohl es die gleiche extrazelluläre Struktur wie klassische Cadherine besitzt, fehlen sowohl die cytoplasmatische als auch die Transmembrandomäne. Stattdessen ist CDH13 über einen GPI-Anker an der zellulären Plasmamembran befestigt. Diese Ergebnisse und viele andere Studien aus unterschiedlichen Bereichen lassen vermuten, dass CDH13 auch als zellulärer Rezeptor wirkt. Interessanterweise ergaben verschiedene genomweite Assoziationsstudien, dass CDH13 ein vielversprechendes Kandidatengen für das Auftreten von Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) und anderen Störungen der neuronalen Entwicklung ist. In früheren Studien unserer Arbeitsgruppe wurde eine starke Expression von Cd13 mRNA in Interneuronen des stratum oriens (SO) des Hippocampus festgestellt. Daher wurde mit Hilfe von Immunfluoreszenz der Grad der Koexpression von CDH13 mit 7 verschiedenen Markern von Subtypen GABAerger Interneuronen ermittelt. Zu diesem Zweck wurden Doppelfärbungen gegen CDH13 und den jeweiligen Marker durchgeführt und anschließend der Grad der Kolokalisation im SO des Hippocampus berechnet. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden in dieser Dissertation quantitative Unterschiede zwischen verschiedenen Subtypen von Interneuronen in Cdh13 knockout (ko), heterozygoten (het) und Wildtyp (wt)-Mäusen mit Hilfe von stereologischen Methoden ermittelt. Darüber hinaus wurden genotypabhängige Unterschiede in der GABAergen und glutamatergen Neurotransmission mit quantitativer Echtzeit-PCR (qRT-PCR) evaluiert. Hierzu wurden Primer eingesetzt, die sowohl auf Untereinheiten des GABA Rezeptors, GABA-synthetisierende Enzyme als auch auf GABA- und Glutamat-Transporter innerhalb synaptischer Vesikel abzielen. In der stereologischen Quantifizierung der Interneuron-Subtypen wurden keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Zellzahl, der Zelldichte oder des Volumens des SO zwischen den verschieden Genotypen gefunden. Im Gegensatz dazu zeigten sich in der qRT-PCR signifikante Unterschiede in der Expression von tropomyosin-related kinase B (TrkB), einem Gen, das für den Rezeptor des brain-derived neurotrophic factor (BDNF) kodiert. Bei diesem handelt es sich um einen Regulator von GABAergen Neuronen. Diese Ergebnisse bekräftigen, dass CDH13 an der Regulation des BDNF-Signalwegs im Hippocampus teilnimmt.