No description available.

No description available.

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.

No description available.

The high composition of fruits and vegetables in the daily diet is associated with cognitive well-being, especially in the elderly population. The phytonutrients are shown to have effects as antioxidants that neutralize oxidative stressors and can interact with molecular pathways to signal neuron survival. Adult hippocampal neurogenesis is a dynamic lifelong process of generating functional newborn neurons in the granular layer of the dentate gyrus from adult precursor cells. This process contributes to brain plasticity and plays a role in learning and memory. External stimuli such as environmental enrichment and physical activity are known to positively regulate this process. However, the role of nutrition and whether nutritional compounds have pro-neurogenic effects on adult hippocampal precursor cells are still elusive. In this study, I investigated the impact of dietary compounds in apples, a significant source of phytonutrients in our food, on adult hippocampal neurogenesis. I demonstrated that quercetin, the most abundant polyphenol in apple, induces cell cycle exit and differentiation of adult hippocampal precursor cells in monolayer culture. Furthermore, this compound also increases the number of surviving cells upon differentiation in vitro, through the activation of endogenous antioxidants in the Nrf2-Keap1 pathway and the prosurvival Akt pathway. Quercetin supplementation in vivo is also shown to significantly increase the number of surviving cells and new neurons in the dentate gyrus. To search for other potential active compounds in apple, I performed bioassay-guided fractionation whereby the flesh extract from apples of the Pinova cultivar was subjected to liquid- and solid phase separation and the active fraction was determined using primary neurosphere assays using cells derived from adult mouse dentate gyrus. Using mass spectometry, we revealed that the active compounds in the apple flesh extract are dihydroxybenzoate glycosides, which are non-flavonoid benzoic acid derivatives. I also confirmed that the isomers of these compounds; 2,3- and 3,5 dihydroxybenzoic acids significantly increase the number of neurospheres. Interestingly, 3,5 dihdroxybenzoic acid is an agonist of lactate receptor hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCAR1), with an even higher affinity than lactate. This receptor is suggested to mediate neurotrophic actions such as increasing production and release of BDNF. I also demonstrated for the first time that this receptor is presence in adult hippocampal precursor cells. To observe whether customary fruits or fruit-related products consumption affects adult hippocampal neurogenesis, I performed an experiment giving apple juice supplementation ad libitum to mice. I did not find a significant increase in net neurogenesis or the performance in the Morris water maze after apple juice supplementation. This is likely due to the low concentration of active compounds in apple juice failing to reach an effective concentration in the body. I conclude that apples provide potential proneurogenic compounds that can influence adult hippocampal neurogenesis through the activation of endogenous antioxidant mechanisms and molecular pathways for cell survival. Further studies are necessary to investigate the role of HCAR1 activation on adult hippocampal neurogenesis, which is a potential new mechanism to explain the health benefits of fruit and vegetable consumption. / Eine Ernährung die täglich reich an Obst und Gemüse ist, hat insbesondere bei älteren Menschen einen positiven Einfluss auf kognitive Fähigkeiten. Pflanzeninhaltsstoffe wirken als natürliche Antioxidantien, indem sie oxidative Stressoren neutralisieren. Weiterhin beeinflussen pflanzliche Nährstoffe molekulare Signalwege welche beim Überleben von Neuronen eine Rolle spielen. Die adulte hippocampale Neurogenese ist ein dynamischer, lebenslanger Prozess, bei dem aus Vorläuferzellen funktionelle neue Neuronen in der Körnerzellschicht des Gyrus dentatus gebildet werden. Dieser Prozess trägt zur Plastizität des Gehirns bei und spielt eine bedeutende Rolle beim Lernen und für das Gedächtnis. Externe Stimuli wie zum Beispiel eine reizreiche Umgebung und körperliche Aktivität wirken als positive Regulatoren und begünstigen die adulte hippocampale Neurogenese. Welche Rolle die Ernährung dabei spielt und ob Nahrungsbestandteile einen proneurogenen Effekt auf adulte hippocampale Vorläuferzellen haben ist kaum bekannt. In diesem Projekt habe ich den Effekt von Nahrungsbestandteilen aus Äpfeln, welche eine bedeutende Quelle von pflanzlichen Nährstoffen in unserer Ernährung darstellen, auf die adulte hippocampale Neurogenese untersucht. Ich habe gezeigt, dass Querzetin, das am reichlichsten in Äpfeln enthaltende Polyphenol, in der Monolayer-Zellkultur den Austritt aus dem Zellzyklus induziert und die Differenzierung von adulten hippocampalen Vorläuferzellen fördert. Des Weiteren steigert Querzetin nach der Differenzierung in vitro die Anzahl an überlebenden Zellen. Dies geschieht durch die Aktivierung von endogenen Antioxidantien des Nrf2-Keap1-Signalweges und des für das Überleben von Zellen förderlichen Akt-Signalweges. Die Verabreichung von Querzetin in vivo als Nahrungsergänzungsmittel führte ebenfalls zu einem signifikanten Anstieg der Anzahl an überlebenden Zellen und neu gebildeten Nervenzellen im Gyrus dentatus. Um weitere potentiell aktive Wirkstoffe von Äpfeln zu bestimmen, habe ich eine Bioassay-ausgerichtete Fraktionierung durchgeführt, wobei der Fruchtfleischextrakt von Äpfeln der Sorte Pinova einer Fest-/ Flüssig-Separation unterzogen wurde. Die aktive Fraktion wurde anhand der primären Neurosphäre-Assay-Methode mit Zellen aus dem Gyrus dentatus adulter Mäuse ermittelt. Mittels spektrometrischer Analyse habe ich gezeigt, dass die aktiven Wirkstoffe im Fruchtfleischextrakt von Äpfeln zur Gruppe der Dihydroxybenzol-Glykosiden gehören, welche den nicht-flavonoiden Benzoesäure-Derivaten zuzuordnen sind. Im in vitro Neurosphäre-Assay habe ich zudem gezeigt, dass die Isomere dieser Wirkstoffe, die 2,3- und die 3,5-Dihydroxybenzoesäuren, die Anzahl der Neurosphären signifikant erhöhen. Interessanterweise ist die 3,5-Dihydroxybenzoesäure ein Agonist des Laktatrezeptors Hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCAR1) und weist sogar eine noch höhere Affinität als Laktat auf. Es wird suggeriert, dass dieser Rezeptor neurotrophische Wirkungen vermittelt, wie zum Beispiel eine erhöhte Produktion von BDNF und dessen Ausschüttung. Zudem habe ich das Vorkommen dieses Reporters erstmalig bei adulten hippocampalen Vorläuferzellen nachgewiesen. Um zu untersuchen, ob der Konsum handelsüblicher Obstprodukte die adulte hippocampale Neurogenese beeinflusst, habe ich Mäusen Apfelsaft ad libitum verabreicht. Nach der Gabe von Apfelsaft sah ich keinen signifikanten Anstieg der Gesamtneurogenese und keine Verbesserung der Leistungsfähigkeit im Morris-Wasserlabyrinth-Test. Dies ist bedingt durch eine zu geringe Konzentration der aktiven Wirkstoffe im Apfelsaft wodurch die wirksame Konzentration im Körper nicht erreicht wird. Ich schlussfolgere, dass in Äpfeln potentielle pro-neurogene Inhaltsstoffe enthalten sind, welche die adulte hippocampale Neurogenese beeinflussen. Dies wird insbesondere durch die Aktivierung endogener antioxidativer Mechanismen und molekularer Signalwege vermittelt, die für das Überleben von Zellen von Bedeutung sind. Weitere Studien sind nötig, um zu bestimmen wie sich die Aktivierung von HCAR1 auf die adulte hippocampale Neurogenese auswirkt. Dies stellt einen potentiellen neuen Wirkmechanismus dar, welcher die gesundheitlichen Vorteile von Obst- und Gemüsekonsum belegt.

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.:I. Inhaltsverzeichnis 1 II. Bibliografische Zusammenfassung 2 III. Abkürzungsverzeichnis 3 1. Einführung 4 1.1. Drogenabhängigkeit und Epidemiologie 4 1.2. Heroin 6 1.3. Hippocampus 9 1.4. Adulte Neurogenese 11 1.5. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit 14 2. Materialen und Methoden 18 2.1. Fall- und Kontrollgruppe 18 2.2. Toxikologisch-chemische Untersuchungen 20 2.3. Immunhistochemie 21 2.4. Immunfluoreszenz und konfokale Mikroskopie 25 2.5. Quantifizierung, Datenanalyse und Statistik 26 3. Ergebnisse 28 3.1. Deskriptive Datenanalyse 28 3.2. Musashi-1 30 3.3. Nestin 31 3.4. Calretinin 32 3.5. Ki-67 34 3.6. Doublecortin 35 3.7. Doppelimmunfluoreszenz 36 4. Diskussion 37 4.1. Neurogenese – Proliferation (Ki-67) 38 4.2. Neurogenese – Differenzierung (MSI-1, Nestin) 39 4.3. Neurogenese – Reifung (Calretinin) 42 4.4. Methodische Grenzen und Fehlerbetrachtung 43 4.5. Fazit und Ausblick 46 5. Zusammenfassung der Arbeit 48 6. Literaturverzeichnis 52 7. Anlagen 1-8 65 IV. Selbständigkeitserklärung 73 V. Curriculum vitae 74 VI. Publikationen 75 VII. Danksagung 76

The high composition of fruits and vegetables in the daily diet is associated with cognitive well-being, especially in the elderly population. The phytonutrients are shown to have effects as antioxidants that neutralize oxidative stressors and can interact with molecular pathways to signal neuron survival. Adult hippocampal neurogenesis is a dynamic lifelong process of generating functional newborn neurons in the granular layer of the dentate gyrus from adult precursor cells. This process contributes to brain plasticity and plays a role in learning and memory. External stimuli such as environmental enrichment and physical activity are known to positively regulate this process. However, the role of nutrition and whether nutritional compounds have pro-neurogenic effects on adult hippocampal precursor cells are still elusive. In this study, I investigated the impact of dietary compounds in apples, a significant source of phytonutrients in our food, on adult hippocampal neurogenesis. I demonstrated that quercetin, the most abundant polyphenol in apple, induces cell cycle exit and differentiation of adult hippocampal precursor cells in monolayer culture. Furthermore, this compound also increases the number of surviving cells upon differentiation in vitro, through the activation of endogenous antioxidants in the Nrf2-Keap1 pathway and the prosurvival Akt pathway. Quercetin supplementation in vivo is also shown to significantly increase the number of surviving cells and new neurons in the dentate gyrus. To search for other potential active compounds in apple, I performed bioassay-guided fractionation whereby the flesh extract from apples of the Pinova cultivar was subjected to liquid- and solid phase separation and the active fraction was determined using primary neurosphere assays using cells derived from adult mouse dentate gyrus. Using mass spectometry, we revealed that the active compounds in the apple flesh extract are dihydroxybenzoate glycosides, which are non-flavonoid benzoic acid derivatives. I also confirmed that the isomers of these compounds; 2,3- and 3,5 dihydroxybenzoic acids significantly increase the number of neurospheres. Interestingly, 3,5 dihdroxybenzoic acid is an agonist of lactate receptor hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCAR1), with an even higher affinity than lactate. This receptor is suggested to mediate neurotrophic actions such as increasing production and release of BDNF. I also demonstrated for the first time that this receptor is presence in adult hippocampal precursor cells. To observe whether customary fruits or fruit-related products consumption affects adult hippocampal neurogenesis, I performed an experiment giving apple juice supplementation ad libitum to mice. I did not find a significant increase in net neurogenesis or the performance in the Morris water maze after apple juice supplementation. This is likely due to the low concentration of active compounds in apple juice failing to reach an effective concentration in the body. I conclude that apples provide potential proneurogenic compounds that can influence adult hippocampal neurogenesis through the activation of endogenous antioxidant mechanisms and molecular pathways for cell survival. Further studies are necessary to investigate the role of HCAR1 activation on adult hippocampal neurogenesis, which is a potential new mechanism to explain the health benefits of fruit and vegetable consumption. / Eine Ernährung die täglich reich an Obst und Gemüse ist, hat insbesondere bei älteren Menschen einen positiven Einfluss auf kognitive Fähigkeiten. Pflanzeninhaltsstoffe wirken als natürliche Antioxidantien, indem sie oxidative Stressoren neutralisieren. Weiterhin beeinflussen pflanzliche Nährstoffe molekulare Signalwege welche beim Überleben von Neuronen eine Rolle spielen. Die adulte hippocampale Neurogenese ist ein dynamischer, lebenslanger Prozess, bei dem aus Vorläuferzellen funktionelle neue Neuronen in der Körnerzellschicht des Gyrus dentatus gebildet werden. Dieser Prozess trägt zur Plastizität des Gehirns bei und spielt eine bedeutende Rolle beim Lernen und für das Gedächtnis. Externe Stimuli wie zum Beispiel eine reizreiche Umgebung und körperliche Aktivität wirken als positive Regulatoren und begünstigen die adulte hippocampale Neurogenese. Welche Rolle die Ernährung dabei spielt und ob Nahrungsbestandteile einen proneurogenen Effekt auf adulte hippocampale Vorläuferzellen haben ist kaum bekannt. In diesem Projekt habe ich den Effekt von Nahrungsbestandteilen aus Äpfeln, welche eine bedeutende Quelle von pflanzlichen Nährstoffen in unserer Ernährung darstellen, auf die adulte hippocampale Neurogenese untersucht. Ich habe gezeigt, dass Querzetin, das am reichlichsten in Äpfeln enthaltende Polyphenol, in der Monolayer-Zellkultur den Austritt aus dem Zellzyklus induziert und die Differenzierung von adulten hippocampalen Vorläuferzellen fördert. Des Weiteren steigert Querzetin nach der Differenzierung in vitro die Anzahl an überlebenden Zellen. Dies geschieht durch die Aktivierung von endogenen Antioxidantien des Nrf2-Keap1-Signalweges und des für das Überleben von Zellen förderlichen Akt-Signalweges. Die Verabreichung von Querzetin in vivo als Nahrungsergänzungsmittel führte ebenfalls zu einem signifikanten Anstieg der Anzahl an überlebenden Zellen und neu gebildeten Nervenzellen im Gyrus dentatus. Um weitere potentiell aktive Wirkstoffe von Äpfeln zu bestimmen, habe ich eine Bioassay-ausgerichtete Fraktionierung durchgeführt, wobei der Fruchtfleischextrakt von Äpfeln der Sorte Pinova einer Fest-/ Flüssig-Separation unterzogen wurde. Die aktive Fraktion wurde anhand der primären Neurosphäre-Assay-Methode mit Zellen aus dem Gyrus dentatus adulter Mäuse ermittelt. Mittels spektrometrischer Analyse habe ich gezeigt, dass die aktiven Wirkstoffe im Fruchtfleischextrakt von Äpfeln zur Gruppe der Dihydroxybenzol-Glykosiden gehören, welche den nicht-flavonoiden Benzoesäure-Derivaten zuzuordnen sind. Im in vitro Neurosphäre-Assay habe ich zudem gezeigt, dass die Isomere dieser Wirkstoffe, die 2,3- und die 3,5-Dihydroxybenzoesäuren, die Anzahl der Neurosphären signifikant erhöhen. Interessanterweise ist die 3,5-Dihydroxybenzoesäure ein Agonist des Laktatrezeptors Hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCAR1) und weist sogar eine noch höhere Affinität als Laktat auf. Es wird suggeriert, dass dieser Rezeptor neurotrophische Wirkungen vermittelt, wie zum Beispiel eine erhöhte Produktion von BDNF und dessen Ausschüttung. Zudem habe ich das Vorkommen dieses Reporters erstmalig bei adulten hippocampalen Vorläuferzellen nachgewiesen. Um zu untersuchen, ob der Konsum handelsüblicher Obstprodukte die adulte hippocampale Neurogenese beeinflusst, habe ich Mäusen Apfelsaft ad libitum verabreicht. Nach der Gabe von Apfelsaft sah ich keinen signifikanten Anstieg der Gesamtneurogenese und keine Verbesserung der Leistungsfähigkeit im Morris-Wasserlabyrinth-Test. Dies ist bedingt durch eine zu geringe Konzentration der aktiven Wirkstoffe im Apfelsaft wodurch die wirksame Konzentration im Körper nicht erreicht wird. Ich schlussfolgere, dass in Äpfeln potentielle pro-neurogene Inhaltsstoffe enthalten sind, welche die adulte hippocampale Neurogenese beeinflussen. Dies wird insbesondere durch die Aktivierung endogener antioxidativer Mechanismen und molekularer Signalwege vermittelt, die für das Überleben von Zellen von Bedeutung sind. Weitere Studien sind nötig, um zu bestimmen wie sich die Aktivierung von HCAR1 auf die adulte hippocampale Neurogenese auswirkt. Dies stellt einen potentiellen neuen Wirkmechanismus dar, welcher die gesundheitlichen Vorteile von Obst- und Gemüsekonsum belegt.

Tau ist ein Mikrotubuli-assoziiertes Protein, das die Polymerisation von Tubulin fördert und die Mikrotubuli stabilisiert. Folglich wird angenommen, dass Tau essentiell für die neuronale Morphogenese ist, vor allem für die Axonenausbildung und -aufrechterhaltung. Mittels tangentieller Nissl-gefärbter Schnitte von Mäusegehirnen konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Tau-knockout Mäuse die regelhafte thalamokortikale Barthaar-projektion („Barrel“ Konfiguration) entwickeln. Der Einfluss von Tau auf die Entstehung von Dendriten wurde anhand von Golgi-gefärbten Präparaten untersucht. Die Sholl-Analyse der gefärbten CA1-Pyramidenzellen zeigte, dass die Komplexität apikaler Dendriten durch das Fehlen von Tau reduziert wurde, während die Basaldendriten unbeeinflusst blieben. Das Tau-Protein scheint demzufolge unwesentlich für die Entstehung von axonalen Verbindungen im embryonalen Gehirn zu sein, ist aber beteiligt an der Steuerung des dendritischen Verzweigungsmusters. Ferner wurde beobachtet, dass sowohl die adulte Neurogenese, als auch die Mikrotubuli-Stabilität in den Apikal- und Basaldendriten und die Synapsen von dem Fehlen des Tau-Proteins unbeeinflusst blieben. In primären Zellkulturen aus dem Kleinhirn von Tau-knockout und Tau-wildtyp Mäusen konnten zwischen den zwei Genotypen keine signifikanten Unterschiede in der Länge oder im Verzweigungsmuster der Dendriten und der Axone von Körnerzellen beobachtet werden. Die Untersuchung der Effekte einzelner Tau-Isoformen auf die Morphologie von N2A-Zellen zeigte, dass es Unterschiede sowohl zwischen Tau-defizienten und Tau-positiven Zellen, als auch zwischen Zellen mit den verschiedenen Tau-Isoformen gibt. Das Tau-Protein übt demnach in vivo einen wichtigen Einfluss auf die Morphologie der Nervenzellen und besonders der Dendriten aus, welcher in vitro weiter analysiert wurde.:Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Das Mikrotubuli-assoziierte Protein Tau 1 1.2 Bedeutung des Tau-Proteins beim Menschen: Tauopathien 3 1.3 Bedeutung des Tau-Proteins beim Menschen: Mikrodeletion des MAPT-Lokus 4 1.4 Ergebnisse aus bisherigen Studien mit Tau-knockout Tieren 6 1.5 Aufgabenstellung 7 2 Material und Methoden 9 2.1 Material 9 2.1.1 Versuchstiere 9 2.1.2 Chemikalien 9 2.1.3 Häufig verwendete Lösungen 10 2.1.4 Geräte 10 2.2 Histologie 11 2.2.1 Fixierung 11 2.2.2 Golgi-Einzelschnittimprägnierung 11 2.2.3 Gefrierschnitte 11 2.2.4 Nissl-Färbung 12 2.2.5 Immunhistochemische Markierungen 13 2.3 Morphometrie 15 2.3.1 Sholl-Analyse 15 2.3.2 Volumenbestimmung 16 2.3.3 Zellzahl (Neurogenese) 17 2.3.4 Synapsenzahl 17 2.4 Proteinbiochemie 19 2.4.1 Proben 19 2.4.2 SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese 19 2.4.3 Western Blot 20 2.4.4 Immundetektion am Western Blot 21 2.5 Transfektion von Nervenzellen in primärer Zellkultur 25 2.5.1 Primäre Zellkultur 25 2.5.2 Transfektion von primären Zellkulturen 25 2.5.3 Morphometrische Analyse von Körnerzellen des Kleinhirns 26 2.6 Klonierung von Tau-Protein-Isoformen 27 2.6.1 Klonierungsstrategie zur Herstellung eines pIRES-DsRed-Tau Vektors 27 2.6.2 Agarose-Gelelektrophorese 30 2.6.3 Gelextraktion der verschiedenen Tau-Isoform-Sequenzen 30 2.6.4 Herstellung chemisch kompetenter E.coli Zellen 31 2.6.5 Chemische Transformation kompetenter E. coli Zellen 32 2.6.6 Animpfen 32 2.6.7 Plasmid-DNA Purifikation aus 15ml Medium („Miniprep”) 32 2.6.8 Schneiden mit Restriktionsendonukleasen 33 2.6.9 Plasmidpräparation aus 100 ml Medium („Midiprep“) 33 2.6.10 Transfektion von N2A-Zellen mit pIRESRed-Tau 34 2.6.11 Rekonstruktion der transfizierten N2A-Zellen 35 2.7 Statistische Auswertung 36 3 Ergebnisse 37 3.1 Thalamokorticale Projektionen 37 3.2 Komplexität der Dendriten von CA1-Pyramidenzellen 37 3.3 Adulte Neurogenese im Hippocampus 41 3.4 Volumen des Hippocampus 43 3.5 Glia 45 3.6 Synapsen 46 3.7 Stabilität der Mikrotubuli 48 3.8 Mikrotubuli-assoziierte Proteine 50 3.9 Entwicklung in vitro 52 3.9.1 Primärkulturen 52 3.9.2 N2A-Zellkultur 54 4 Diskussion 58 4.1 Diskussion der Methoden 58 4.1.1 Herstellung von Tau-knockout Mäusen 58 4.1.2 Golgi-Einzelschnittimprägnierung und die dreidimensionale Zellrekonstruktion 59 4.1.3 Neurogenese 60 4.1.4 Volumenbestimmung von Hippocampus und Gyrus dentatus 61 4.1.5 Synaptische Marker 61 4.1.6 Western Blot 62 4.1.7 Transfektion von primären Zellkulturen 62 4.1.8 Transfektion von N2A-Zellen mit humanen Tau-Isoformen 63 4.2 Vergleich mit bekannten Daten aus der Forschungsliteratur 64 4.2.1 Axonogenese 64 4.2.2 Dendritogenese 64 4.2.3 Mikrotubuli-assoziierte Proteine und Mikrotubuli-Stabilität 67 4.2.4 Neurogenese 67 4.2.5 Synaptogenese 68 4.2.6 Rolle der einzelnen Isoformen 68 4.3 Bedeutung für die Medizin 71 4.4 Fazit 72 5 Zusammenfassung 73 6 Literaturverzeichnis 76 Posterpräsentationen 88 Danksagung 89 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 90 Lebenslauf 91

Adult hippocampal neurogenesis entails a continued recruitment of neural precursor cells (NPCs) into active cell cycle and their progressive transition into post-mitotic granule cells. These adult born neurons integrate into the existing circuitry and confer structural plasticity, which aids in key hippocampal functions. For sustained neurogenesis, the cell cycle entry of the NPCs has to be tightly controlled. Environmental cues strongly, and differentially, regulate this checkpoint. Voluntary physical activity represents such an established strong stimulus that results in enhanced proliferation within the neurogenic niche. However, mechanistic insights into the maintenance and regulation of quiescence and the responsiveness of the NPCs to acute physical activity, as a form of adaptive neurogenesis, are yet to be elucidated. In my doctoral studies, we identified redox regulation as a key pathway regulating the cellular state equilibrium. I further explored the role of cellular oxidative stress in the neurogenic course and in adaptive neurogenic responses. Our results show that non-proliferative precursors within the hippocampal dentate gyrus, unlike in other stem cell systems, are marked by high levels of cellular reactive oxygen species (ROS). Using cytometric methodologies, ex vivo bioassays and transcriptional profiling, we revealed that classifying cells based on intracellular ROS content identified functionally defined sub-populations of adult NPCs. We propose that a drop in intracellular ROS content precedes the transition of cellular states, specifically from quiescence to active proliferation. Acute physical activity involves the activation of non- proliferating cells through a transient Nox2-dependent ROS surge in high-ROS, quiescent NPCs. In the absence of Nox2, baseline neurogenesis was unaffected, but the activity- dependent response was abolished. These findings shed new light on the discrete cellular events, which maintain the homeostasis between distinct cellular states of NPCs within the adult murine hippocampus.:Zusammenfassung 3 Summary 4 Acknowledgements 5 Index 8 List of figures 10 List of tables 11 Abbreviations 12 Publications 14 Introduction 15 Adult hippocampal neurogenesis 16 Adult subventricular neurogenesis 21 Methods to study adult neurogenesis 23 Environmental regulation of neurogenesis 26 Redox regulation in a stem cell 29 Working hypothesis 31 Specific aims 31 Materials and methods 32 Mice 34 Physical activity paradigm 35 Thymidine labelling and tissue preparation 35 Fluorescence immunohistochemistry 35 DG and SVZ dissection and dissociation 36 Flow cytometry 36 Gating for ROS classes 36 Neurosphere culture 37 Generation of monolayer culture 37 Inducing quiescence through BMP4 treatment 38 Next Generation sequencing (NGS) 38 RNA extraction 38 Quality control and differential expression 39 Functional enrichment and expression profiles 41 RNA isolation and quantitative RTPCR (qRT-PCR) 43 Ki67 immunochemistry and quantification of in vivo proliferation 45 Quantification and statistical analysis 46 Data and software availability 48 Results 49 Intracellular ROS content functionally delineates subpopulations of neural precursor cells 49 Resolution of ROS profiles of DG and SVZ and neurosphere bioassay 49 Distribution of Nes-GFP cells into different ROS classes 54 Neural precursors of the different ROS classes have distinct molecular profiles 55 Changes in intracellular ROS content precede cell fate changes 65 ROS profiling of other cell types within the DG 70 ROS profiling of Astrocytes and type-1 cells 70 ROS profiling of Doublecortin (Dcx)positive cells of the neurogenic lineage 74 ROS profiling of microglial cells within the DG 77 Resolving the response of Nes-GFP subpopulations to environmental stimulus 78 Nes-GFP+ cells of the hiROS class specifically respond to physical activity 81 Changes in ROS content are not driven by mitochondrial activity 83 In vitro monolayer culture of NPCs as an independent corroboration 86 Discussion 89 The organization of an active stem cell niche with respect to redox content 89 Cytometric classification of cells within the DG 91 Establishing the cellular states of redox defined subsets of Nes-GFP+ adult precursors within the DG 95 Timeline of baseline proliferation within precursors and identifying the subset of precursors responsive to de novo physical activity 97 Monolayer culture to study cellular states and redox regulation 100 Nox2 dependency as a discriminatory feature of adaptive neurogenesis 101 Conclusion 103 References 104 Declarations 122 Anlage 1 122 Anlage 2 124

The hippocampus is a brain area fundamental for cognitive functions, such as learning, memory, spatial navigation and emotion regulation, and is mainly affected in Alzheimer’s disease (AD). AD is an irreversible neurodegenerative disease, characterized by pathological protein aggregations and cognitive impairments. To date, there is no treatment for Alzheimer’s disease. The search for a therapy is urgently needed to alleviate the suffering of patients and relieve the burden on society. Neural stem cells (NSCs) in the hippocampal neurogenic niche sustain continuous neurogenesis in adulthood. Adult hippocampal neurogenesis (AHN) is functionally associated with many cognitive and emotional functions in humans and rodents. In particular, hippocampal neurogenesis is impaired in AD patients and AD mouse models and may be a putative therapeutic target for curing AD. In my project, endogenous hippocampal neurogenesis is manipulated in the 3xTg AD mouse model by a chronic, genetically-driven expansion of hippocampal NSCs. Exploiting intrinsic NSCs potential to generate newborn neurons increases the neurogenesis in 3xTg AD mice. The boosted neurogenesis ameliorates the anxiety-like behavior, improves spatial navigational performances and restores the connectivity of the hippocampal network in AD. Altogether, this study demonstrates the beneficial effect of enhancing neurogenesis by exploiting the endogenous NSCs reserve to rescue AD phenotypes and elucidates the functional contribution of neurogenesis to learning and memory. The findings support and highlight the therapeutic potential of enhancing neurogenesis in the treatments of neurodegenerative diseases.