Der Neurotransmitter Serotonin spielt ein Rolle bei der Entwicklung von Ethanoltoleranz und Alkoholismus. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Funktion von Serotonin (5HT) im Bezug auf Ethanolsensitivität und Toleranz in Drosophila melanogaster. Pharmakologisch wurden die 5HT Konzentrationen durch Füttern eines Vorläufers der 5HT Synthese kurzeitig erhöht oder mit einem Syntheseinhibitor reduziert. Die Veränderung der 5HT Konzentrationen mittels dieser Pharmaka hatte jedoch keinen Einfluss auf die Entwicklung von Ethanolsensitivität oder Toleranz. 5HT wird durch den 5HT Transporter (SERT) aus dem synaptischen Spalt in die Präsynapse wieder aufgenommen. Die kurzzeitige Fütterung des SERT Inhibitors Paroxetin führt zu erhöhter Ethanolsensitivität und reduzierter Toleranz. Ein ähnlicher Phänotyp wurde in der hypomorphen sert55 Mutante, die eine reduzierte dsert Expression aufweist, beobachtet. Dies legt nahe, dass kurz- wie langfristige Reduktion der SERT Funktion die Entwicklung einer vollständigen Ethanoltoleranz verhindern. Folglich hat die Verlängerung der 5HT Signaltransduktion im synaptischen Spalt, nicht aber die allgemeine Erhöhung von 5HT Konzentrationen im Fliegengehirn einen Einfluss auf die Entwicklung von Ethanoltoleranz. Zur genauen Bestimmung der SERT Expression im adulten Gehirn der Fliege wurde ein Drosophila SERT (dSERT) Antikörper hergestellt. Mit Hilfe dieses Antikörpers konnte gezeigt werden, dass der dSERT mit serotonergen Somata, Axonen und Dendriten kolokalisiert. Ferner sollten 5HT Konzentrationen im synaptischen Spalt durch Überexpression des wildtypischen dsert in einem Großteil der Neurone mit Hilfe des UAS/GAL4 Systems reduziert werden. Diese Fliegen wiesen weder eine veränderte 5HT Konzentration in den Köpfen auf noch war die Ethanolsensitivität bzw. Toleranz verändert. Das kann einerseits daran liegen, dass der dSERT nicht in die Membran integriert wird oder andererseits daran, dass unser Konstrukt nicht funktional ist. Die Überexpression eines inaktiven dSERTs sollte theoretisch zur Erhöhung von 5HT Konzentrationen im synaptischen Spalt führen. Wurde ein inaktiver dSERT in den meisten Neuronen der Fliege exprimiert, erhöhten sich zwar die 5HT Konzentrationen in den Köpfen der Fliegen, dennoch war das ethanolinduzierte Verhalten nicht verändert. Zusätzlich wurde untersucht, welchen Einfluss die Inhibition der 5HT Ausschüttung auf die Entwicklung von Ethanolsensitivität und Toleranz hat. Zur Inhibition der Neurotransmission in serotonergen Zellen wurde ein Tetanus Toxin (TNT) Transgen in Verbindung mit verschiedenen GAL4 Treiberlinien eingesetzt. Die Inhibition von serotonergen und dopaminergen Neuronen mit Hilfe einer GAL4 Linie, die einen Abschnitt des Gens der Dopamin Decarboxylase (ddc) beinhaltet, führte zu keiner Veränderung von Ethanolsensitivität bzw. Toleranz. Für weitere GAL4 Linien wurde zunächst das Expressionsmuster neuroanatomisch untersucht. Von vier ausgewählten GAL4 Linien zeigten zwei Expression in serotonergen Neuronen. Die sert1+2-GAL4 Linie mit einem Stück Promotorregion des dsert zeigt Expression in 46% der serotonergen Neuronen. Wurden diese mit Hilfe von Tetanus Toxin inhibiert, zeigten die Fliegen eine leicht aber signifikant erhöhte Ethanolsensitivität und eine unveränderte Toleranz. Die zweite GAL4 Linie enthält ein Stück Promotorregion des 5HT1b Rezeptors und zeigt Expression in ebenfalls 46% der serotonergen Neurone, weitgehend überlappend mit der Expression der Linie sert1+2-GAL4. Jedoch exprimiert die 5htr1b-GAL4 Linie zusätzlich in vier serotonergen Neuronen, in elf dopaminergen und einem unbekannten Neuron. Interessanterweise ist nach Inhibition der Neurotransmission in diesen Neuronen eine stark erhöhte Ethanolsensitivität sowie eine reduzierte Ethanoltoleranz zu beobachten. Folglich könnte die Inhibition der Neurotransmission in dopaminergen Neuronen für die Reduktion der Ethanolsensitivität verantwortlich sein. Deshalb wurde die Neurotransmitteraussschüttung in dopaminergen Neuronen mit Hilfe der th-GAL4 Linie und TNT unterdrückt und diese Fliegen wurden auf ihre Fähigkeit untersucht, Ethanolsensitivtät und/oder Toleranz zu entwickeln. Nach Inhibition der von th-GAL4 getriebenen dopaminergen Neurone wurde eine erhöhte Ethanolsensitivität gemessen, aber keine signifikant veränderte Ethanoltoleranz. Da die ddc-GAL4 Linie im Vorfeld keinen ethanolinduzierten Verhaltensphänotyp gezeigt hat, sollte bestimmt werden, welche dopaminergen Neuronen der 5htr1b-GAL4 sowie der th-GAL4 Linie für die erhöhte Ethanolsensitivität verantwortlich sind. Serotonerge Neuronengruppen, die in die Entwicklung von Ethanolsensitivität und Toleranz involviert sein könnten, sind SE1, SE2, SE3, LP1, LP2, SP1, SP2 und IP, während es sich bei den dopaminergen Neuronengruppen um PAL1, PPL1, PPM2, PPM3 und SVP1 handeln könnte. Einige Neurone der 5htr1b-GAL4 Linie projizieren in den Ellipsoidkörper, eine Struktur des Zentralkomplexes, für die bereits gezeigt wurde, dass sie in die Entwicklung vonEthanoltoleranz involviert ist. Jedoch muss näher untersucht werden, welche Neuronen für die Innervation verantwortlich sind. Dafür sollten GAL4 Linien verwendet werden, die eine ähnliche Expression wie die 5htr1b-GAL4 Linie, aber ausschließlich im Ellipsoidkörper, zeigen. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass serotonerge und dopaminerge Neurone in die Entwicklung von Ethanolsensitivität und Toleranz in Drosophila melanogaster involviert sind. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine veränderte 5HT Signaltransduktion zu einer reduzierten Toleranz führt. Weiterführend ist die Identifizierung von serotonergen Neuronen, die für die Entwicklung von Ethanolsensitivität und/oder Toleranz verantwortlich sind, von großem Interesse. Ziel ist es, die neuronalen Schaltkreise aufzudecken, die den Phänomenen Ethanolsensitivität und Toleranz zugrundeliegen. / Serotonin dysregulation is strongly implicated in the development of ethanol tolerance and alcoholism. This work examined the role of the neurotransmitter 5HT in the development of ethanol sensitivity and tolerance in Drosophila melanogaster. Using a pharmacologic approach 5HT concentrations were increased after feeding a 5HT precursor or decreased after feeding a 5HT synthesis inhibitor. This change of 5HT concentrations did not influence the development of ethanol sensitivity or tolerance. Reuptake of 5HT into the pre-synapse is regulated via a 5HT transporter (SERT). After feeding the SERT reuptake inhibitor Paroxetin an increase in ethanol sensitivity and a reduction in tolerance was observed. A reduction of SERT expression in the hypomorph sert55 mutant leads to a similar phenotype. Supposing short-term as well as long-term reduction of SERT function inhibits the development of normal ethanol tolerance. Therefore, the prolonged 5HT signalling within the synaptic cleft, but not the overall raising of 5HT concentrations in fly brains has an influence on the development of ethanol tolerance. To determine the SERT expression in the adult brain of the fly, a Drosophila SERT (dSERT) antibody was generated. This antibody co-localizes with serotonergic somata, axons and dendrites. Furthermore, 5HT concentrations were reduced in the synaptic cleft, through over-expression of a wildtype dSERT in most neurons using the UAS/GAL4 system. Those flies neither showed a change in 5HT concentrations in heads, nor a changed development of ethanol sensitivity and tolerance. On the one hand this can be due to dSERT that is not integrated in the membrane of the pre-synapse or on the other hand that our construct is not functioning. Over-expression of an inactive dSERT should theoretically lead to an increased 5HT signalling in the synaptic cleft. The inactive dSERT was expressed in most neurons and increased 5HT concentrations in heads, but had no influence on ethanol induced behavior. Moreover it was investigated, what influence the inhibition of 5HT neurotransmission has on the development of ethanol sensitivity and tolerance. To inhibit the neurotransmission of serotonergic cells a tetanus toxin transgene in combination with various GAL4 driver lines was used. The inhibition of serotonergic and dopaminergic neurons using a GAL4 driver line that contains a fragment of the dopamine decarboxylase gene does not influence ethanol sensitivity, or tolerance. For additional GAL4 lines first the expression pattern was studied by neuroanatomy. Out of four selected GAL4 lines two showed expression in serotonergic neurons. The sert1+2-GAL4 line which included a fragment of the dsert promotor region shows expression in 46% of the serotonergic neurons. Inhibition of those neurons with tetanus toxin shows a slight, but significant increase in ethanol sensitivity, but normal tolerance. The second GAL4 line contains a promotor fragment of the 5HT1b receptor gene and also expresses GAL4 in 46% of the serotonergic neurons, largely overlapping with the expression pattern of the sert1+2-GAL4 line. However, the 5htr1b-GAL4 line in addition expresses GAL4 in four serotonergic, eleven dopaminergic and one unknown neuron. Interestingly, after inhibition of those neurons, increased ethanol sensitivity and reduced tolerance was observed. The inhibition of neurotransmission in those dopaminergic neurons could be responsible for increased ethanol sensitivity. In the next step, we therefore inhibited neurotransmission exclusively in dopaminergic neurons using a GAL4 line with a gen fragment of the enzyme tyrosine hydroxylase (th-GAL4) and tested those flies for ethanol sensitivity and tolerance. After inhibition of neurons driven by the th-GAL4 line increased ethanol sensitivity was measured, but normal tolerance. We wanted to find out, which dopaminergic neurons of the 5htr1b-GAL4 and the th-GAL4 line are responsible for increased ethanol sensitivity. Serotonergic groups of neurons that could be involved in the development of ethanol sensitivity and tolerance are SE1, SE2, SE3, LP1, LP2, SP1, SP2 and IP, whereas dopaminergic neurons that might play a role could belong to the groups PAL1, PPL1, PPM2, PPM3 and SVP1. Some neurons of the 5htr1b-GAL4 line project into the ellipsoid body, a structure of the central complex that was shown previously to be involved in the development of ethanol tolerance. Therefore it should be investigated which neurons are responsible for the innervation of the ellipsoid body. In this case GAL4 lines should be used, that show a similar expression pattern as our 5htr1b-GAL4 line, but exclusively express GAL4 in neurons that project into the ellipsoid body, to investigate if inhibition of a small subset of neurons influences ethanol sensitivity and/or tolerance. In this work, for the first time, the involvement of the serotonergic and dopaminergic system in the development of ethanol sensitivity and tolerance was demonstrated in the fly. Furthermore we showed that modified 5HT signalling leads to a reduced tolerance. The next step is to identify serotonergic and dopaminergic neurons that are responsible for the development of ethanol sensitivity and tolerance. Our intention is to reveal neuronal frameworks that underlie ethanol sensitivity and tolerance.

Hintergrund der Arbeit waren Befunde, dass das humane Gen für den Serotoninrezeptor 1A (5-HT1A) einen funktionalen Polymorphismus in der Kontrollregion (C-1019G) aufweist, der mit angst- und depressionsbezogenen Verhaltensweisen, Panikstörung und affektiven Erkrankungen signifikant assoziiert ist. In der vorliegenden Untersuchung wurde der C-1019G-Polymorphismus auf eine signifikante Assoziation in einer Gruppe von 563 Patienten mit unterschiedlichen Persönlichkeitsstörungen nach DSM-IV-TR im Vergleich zu einer Kontrollgruppe von 281 Studenten untersucht. Zur psychometrischen Charakterisierung wurde das revidierte NEO-Persönlichkeitsinventar (NEO-PI-R)und der Tridimensional Questionnaire (TPQ) eingesetzt. Ziel der Arbeit war die Überprüfung der Arbeitshypothese einer Assoziation mit Cluster C-Persönlichkeitsstörungen, die ähnliche Merkmale wie bestimmte Angsterkrankungen aufweisen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigten weder einen signifikanten Effekt des C-1019G-Polymorphismus bezüglich der Persönlichkeitsdimensionen Neurotizismus und Harm Avoidance noch bezüglich der Cluster C-Persönlichkeitsstörungen. In einer Untergruppe von Patienten mit der Cluster C-Diagnose zwanghafte Persönlichkeitsstörung zeigt sich, dass entsprechende Patienten, die kein G-Allel besitzen signifikant niedrigere Werte in den Faktoren Hartnäckigkeit/Leistungsstreben aufweisen, als Träger des G-Allels. Jedoch ist anzumerken, dass es sich u.a. aufgrund der geringen Stichprobenzahl der Patientensubpopulation mit der Diagnose zwanghafte Persönlichkeitsstörung auch um einen falsch positiven Befund handeln könnte. Zukünftige Studien, die u.a. auch die komplexen Gen-Umweltinteraktionen berücksichtigen, könnten weiteren Aufschluss über diese z.T. widersprüchlichen Befunde bringen. / The C-1019G 5-HT1A promoter polymorphism was reported to be associated with major depression, anxiety- and depression-related personality traits and panic disorder. In the present study, we evaluated the role of the C-1019G 5-HT1A polymorphism in patients with personality disorders. Patients with personality disorders (N = 563) and healthy volunteers (N = 281) were studied with the Revised NEO Personality Inventory (NEO-PI-R) and the Tridimensional Personality Questionnaire (TPQ). No differences in C-1019G 5-HT1A genotyp distribution were detected between patients with personality disorders and comparison subjects. Furthermore, no association was detected between this genetic variant and anxiety- and depression-related personality traits (NEO Neuroticism and TPQ Harm Avoidance). Future research is recommended to clarify this controversial results. The complex interactions between the C-1019G 5-HT1A polymorphism and environmental factors also remain to be investigated.

The hallmark of an adult mammalian central nervous system is the inability to regenerate after an injury. Zebrafish, on the other hand, have an astounding regenerative capacity. After a spinal cord lesion, zebrafish can re-establish the damaged neuronal network and regain their swimming ability within weeks. This is partly due to the presence of the ependymal radial glia (ERGs), which line the wall of the central canal and act as the stem/progenitor cells of the spinal cord. Under homeostatic conditions the ERGs are largely quiescent, however, the lesion triggers them to proliferate and replace cells that have been lost due to the damage. Previous studies have shown that the regeneration of the motor neurons is affected by the signalling pathways similar to those governing the first development of these cells during embryogenesis, such as Sonic hedgehog, Notch and dopamine signalling. Serotonin (5-HT), similar to dopamine, is a monoaminergic neurotransmitter with a wide range of physiological and behavioural functions. It has also been shown to play a role during development of the nervous system. In this doctoral thesis I address the hypothesis that 5-HT has a positive effect on the development and adult regeneration of motor neurons. In addition, I expand on the previously discovered augmenting effect of dopamine on motor neuron development, by analysing the downstream pathways of its action. I show that during the development, incubating embryos in 5-HT increases the proliferation of the motor neuron progenitor (pMN) cells, which leads to augmented motor neuron production. RT-PCR on FAC sorted pMN cells highlights a number of serotonergic receptors that might be responsible for this effect. Although the downstream pathways are still unknown, 5-HT appears not to act on the sonic hedgehog canonical pathway, as shown by the unchanged expression of the hedgehog effector gene, patched2 after 5-HT treatment. I show that 5-HT does not affect the generation of vsx1+ or pax2a+ interneurons, suggesting that it has a predominant effect on motor neuron production. In the intact spinal cord of an adult zebrafish, the pMN-like ERGs express serotonergic receptors, indicating they are responsive to 5-HT stimulation. After a lesion, 5-HT administration enhances the proliferation of the pMN-like ERGs caudal to the lesion site resulting in an increase in the number of newborn motor neurons. Rostral to the lesion site, administration of exogenous 5-HT does not have an effect on the ERG proliferation, possibly due to the fact that the endogenous source of 5-HT, in the form of the descending axons, is still present and might already elicit a maximal response of the progenitor cells. 5-HT does not have an effect on the proliferation of the progenitor cells dorsal or ventral to the pMNlike domain, nor does it affect the regeneration of the serotonergic interneurons. These results suggest that 5-HT from the brain preferentially contributes to the regeneration of the motor neurons. Dopamine is another monoamine shown to enhance motor neuron production during the development and regeneration. To investigate the downstream pathways of dopamine signalling on motor neuron production during embryogenesis, RNA-sequencing was performed on FAC sorted pMN cells after a treatment with a dopamine agonist, pergolide. The results yielded 14 differentially expressed genes (FDR < 0.05) with diverse functions in the cell, indicating that dopamine might act on multiple targets to promote motor neuron production. Taken together, these results demonstrate the positive effect of monoaminergic stimulation on motor neuron development and regeneration. They provide an insight into the pathways that govern the proliferation of stem/progenitor cells in the embryonic and adult spinal cord, which might contribute to the research working on enhancing adult neurogenesis in mammals.

abstract: Serotonin 1B receptors (5-HT1BRs) are a novel target for developing pharmacological therapies to reduce psychostimulant craving. 5-HT1BRs are expressed in the mesolimbic pathway projecting from the ventral tegmental area (VTA) to the nucleus accumbens (NAc), which is involved in reward and motivation. 5-HT1BR agonists modulate both cocaine- and methamphetamine-seeking behaviors in rat models of psychostimulant craving. In this dissertation, I tested the central hypothesis that 5-HT1BRs regulate cocaine and methamphetamine stimulant and rewarding effects in mice. I injected mice daily with cocaine for 20 days and then tested them 20 days after their last injection. The results showed that the 5-HT1BR agonist CP94253 attenuated sensitization of cocaine-induced locomotion and cocaine-seeking behavior, measured as a decrease in the ability of a cocaine priming injection to reinstate extinguished cocaine-conditioned place preference (CPP). Subsequent experiments showed that CP94253 given prior to conditioning sessions had no effect on acquisition of methamphetamine-CPP, a measure of drug reward; however, CP94253 given prior to testing attenuated expression of methamphetamine-CPP, a measure of drug seeking. To examine brain regions and cell types involved in CP94253 attenuation of methamphetamine-seeking, I examined changes in the immediate early gene product, Fos, which is a marker of brain activity involving gene transcription changes. Mice expressing methamphetamine-CPP showed elevated Fos expression in the VTA and basolateral amygdala (BlA), and reduced Fos in the central nucleus of the amygdala (CeA). In mice showing CP94253-induced attenuation of methamphetamine-CPP expression, Fos was increased in the VTA, NAc shell and core, and the dorsal medial caudate-putamen. CP94253 also reversed the methamphetamine-conditioned decrease in Fos expression in the CeA and the increase in the BlA. In drug-naïve, non-conditioned control mice, CP94253 only increased Fos in the CeA, suggesting that the increases observed in methamphetamine-conditioned mice were due to conditioning rather than an unconditioned effect of CP94253 on Fos expression. In conclusion, 5-HT1BR stimulation attenuates both cocaine and methamphetamine seeking in mice, and that the latter effect may involve normalizing activity in the amygdala and increasing activity in the mesolimbic pathway. These findings further support the potential efficacy of 5-HT1BR agonists as pharmacological interventions for psychostimulant craving in humans. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Neuroscience 2018

Dysfunktionen des serotonergen Neurotransmittersystems, innerhalb dessen die allelischen Variationen des 5-HTTLPR-Polymorphismus wiederum einen zentrale Rolle einnehmen, werden für die Genese verschiedener psychischer Erkrankungen diskutiert. Untersucht wurde die Interaktion zwischen der allelischen Variationen des 5-HTTLPR-Polymorphismus und Lebensereignissen, die mit Hilfe des Life History Calendar von Caspi bei 123 aADHS-Patienten erfasst wurden. Die Teilnehmer wurden über Lebenserfahrungen bis zu ihrem 21. Lebensjahr genau befragt, die so in additiver Wertung in den Life-Event-Effekt einflossen. Zudem wurden mit Hilfe der Persönlichkeitstests TPQ und NEO-PI-R Punktescores erhoben. Eine Marker*Life Event-Interaktion wurde nachgewiesen. Bei aAHDS-Patienten, die die homozygot lange Variante des 5-HTTLPR-Polymorphismus tragen, ist eine höhere Zahl an erlebten Life Events mit einem größerem Risiko assoziiert, eine Cluster-B-Persönlichkeitsstörung zu entwickeln. Eine geringere Anzahl an Life Events ist assoziiert mit einem geringerem Risiko für Persönlichkeitsstörungen. / Dysfunctions of the serotonergic neurotransmitter system are discussed in the etiology of various mental diseases. We investigated the interaction between the allelic variation of the 5-HTTLPR polymorphism and life events that were assessed with the aid of a life history calendar at 123 adult ADHD-patients. The participants were questioned about life events up to the age of 21. Moreover personality dimensions were assessed by Tridimensional Personality Questionnaire (TPQ) and NEO-Personality Inventory. A marker * Life Event interaction was detected. In aADHD-patients who carry the homozygous long variant of the 5-HTTLPR polymorphism, a higher number of experienced life events is associated with an increased risk of cluster B personality disorder, smaller number of life events is associated with a lower risk of cluster B personality disorders.

Stress has been shown to influence neuroplasticity and is suspected to increase the risk for psychiatric disorders such as major depression and anxiety disorders. Additionally, the short variant of the human serotonin transporter (5-HTT) length polymorphism (5-HTTLPR) is suggested to increase the risk for the development of such disorders. While stress as well as serotonergic signaling are not only discussed to be involved in the development of psychiatric disorders, they are also known to influence hippocampal adult neurogenesis (aN). Therefore, it has long been suspected that aN is involved in the etiology of these illnesses. The exact role of aN in this context however, still remains to be clarified. In the present doctoral thesis, I am introducing two different studies, which had been carried out to assess possible changes in neuroplasticity and behavior as a result of 5-HTT genotype by stress interactions. In both studies, animals of the 5-HTT knock-out (5-HTT-/-) mouse line were used, which have been found to exhibit increased anxiety- and depression-related behavior, an altered stress response and decreased aggressive behavior. The aim of the first study, the so-called Spatial Learning study, had been to evaluate whether mice with altered levels of brain 5-HT as a consequence of lifelong 5-HTT deficiency perform differently in two spatial memory tests, the Morris Water Maze (WM) and the Barnes Maze (BM) test prospectively differing in aversiveness. Mice of the Spatial Learning study were of male sex and six months of age, and where subjected to a total of 10 (BM) or 15 (WM) trials. My particular interest was to elucidate if there are genotype by treatment interactions regarding blood plasma corticosterone levels and, if neurobiological equivalents in the brain to the found behavioral differences exist. For this purpose I carried out a quantitative immunohistochemistry study, investigating stem cell proliferation (via the marker Ki67) and aN (via the immature neuron marker NeuroD), as well as expression of the two immediate early genes (IEGs) Arc and cFos as a markers for neuronal activity in the hippocampus. The aim of the second study, the chronic mild stress (CMS) study had been to evaluate whether the innate divergent depression-like and anxiety-like behavior of mice with altered levels of brain 5-HT as a consequence of 5-HTT-deficiency is altered any further after being subjected to a CMS paradigm. Two cohorts of one-year-old female mice had been subjected to a variety of unpredictable stressors. In order to exclude possible interfering influences of behavioral testing on corticosterone levels and the outcome of the quantitative immunohistochemistry study the first cohort had been behaviorally tested after CMS while the second one had remained behaviorally untested. The objective of my part of the study was to find out about possible genotype by treatment interactions regarding blood plasma corticosterone as well as regarding aN in the hippocampus of the mice that had been subjected to CMS. For this purpose I performed a quantitative immunohistochemistry study in order to investigate the phenomenon of adult neurogenesis (via Ki67, NeuroD and the immature neuron marker DCX). Both studies led to interesting results. In the CMS study, we could not replicate the increased innate anxiety- and depression-like behavior in 5-HTT-/- mice known from the literature. However, with regard to the also well documented reduced locomotor activity, as well as the increased body weight of 5-HTT-/- mice compared to their 5-HTT+/- and 5-HTT+/+ littermates, we could demonstrate that CMS leads to increased explorative behavior in the Open Field Test and the Light/Dark Box primarily in 5-HTT+/- und 5-HTT+/+ mice. The Spatial learning study revealed that increased stress sensitivity of 5-HTT-/- mice leads to a poorer performance in the WM test in relation to their 5-HTT+/+ and 5-HTT+/- littermates. As the performance of 5-HTT-/- mice in the less aversive BM was undistinguishable from both other genotypes, we concluded that the spatial learning ability of 5-HTT-/- mice is comparable to that of both other genotypes. As far as stress reactivity is concerned, the experience of a single trial of either the WM or the BM resulted in increased plasma corticosterone levels, irrespective of the 5-HTT genotype. After several trials 5-HTT-/- mice exhibited higher corticosterone concentrations compared with both other genotypes in both tests. Blood plasma corticosterone levels were highest in 5-HTT-/- mice tested in the WM indicating greater aversiveness of the WM and a greater stress sensitivity of 5-HTT deficient mice. In the CMS study, the corticosterone assessment of mice of cohort 1, which had undergone behavioral testing before sacrifice, resulted in significantly elevated corticosterone levels in 5-HTT-/- mice in relation to their 5-HTT+/+ controls. Contrary, corticosterone levels in mice of cohort 1, which had remained behaviorally untested, were shown to be elevated / increased after CMS experience regardless of the 5-HTT genotype. Regarding neuroplasticity, the Spatial Learning study revealed higher baseline levels of cFos- and Arc-ir cells as well as more proliferation (Ki67-ir cells) and higher numbers of neuronal progenitor cells (NeuroD-ir cells) in 5-HTT-/- compared to 5-HTT+/+ mice. Moreover, in 5-HTT-/- mice we could demonstrate that learning performance in the WM correlates with the extent of aN. The CMS study, in which aN (DCX-ir cells), has also been found to be increased in 5-HTT-/- mice compared to their 5-HTT+/+ littermates, yet only in control animals, did show hampered proliferation (Ki67-ir cells) in the hippocampus of all 5-HTT genotypes following CMS experience. Interestingly, the number of immature neurons (DCX-ir cells) was diminished exclusively in 5-HTT-/- mice in response to CMS. From the Spatial Learning study we concluded, that increased IEG expression and aN levels observed in the hippocampus of 5-HTT deficient mice can be the neurobiological correlate of emotion circuit dysfunction and heightened anxiety of these mice and that 5-HTT-/- animals per se display a “stressed” phenotype as a consequence of long-life 5-HTT deficiency. Due to the different age and sex of the mice in the two studies, they cannot be compared easily. However, although the results of the CMS study seem to contradict the results of the Spatial Learning study at the first glance, they do support the conclusion of the Spatial Learning study by demonstrating that although CMS does have an impact on 5-HTT-/- mice on the neurobiological level (e.g. manifesting in a decrease of DXC-ir cells following CMS) CMS experience cannot add onto their heightened inborn stress-level and is almost ineffective regarding further changes of the behavior of 5-HTT-deficient mice. I thus propose, that 5-HTT-/- mice as a result of lifelong altered 5-HT signaling display a stressed phenotype which resembles a state of lethargy and is paralleled by baseline heightened IEG expression and aN. It cannot be altered or increased by CMS, but it becomes most visible in stressful situations such as repeated spatial learning tests like the WM in which locomotor activity is required. / Es ist bekannt, dass Stress die Neuroplastizität beeinflusst und es wird vermutet, dass dieser das Risiko erhöht eine psychische Erkrankung wie Depressionen oder Angststörungen zu entwickeln. Daneben wurde auch die kurze Variante des menschlichen Serotonintransporter (5-HTT)-Gens mit einem erhöhten Risiko für psychische Erkrankungen assoziiert. Stress und 5-HT werden jedoch nicht nur mit psychischen Erkrankungen in Verbindung gebracht, sondern sie sind auch bekannt dafür, dass sie die hippocampale adulte Neurogenese (aN) beeinflussen. Nicht zuletzt deswegen wird seit langem vermutet, dass die aN an der Ätiologie dieser Erkrankungen beteiligt ist. Dabei ist jedoch noch unklar, welche Rolle die aN hierbei spielt. In der vorliegenden Doktorarbeit stelle ich zwei verschiedene Studien vor, die durchgeführt wurden um mögliche Veränderungen in der Neuroplastizität und dem Verhalten aufgrund von Interaktionen zwischen dem 5-HTT Genotyp und Stress zu erforschen. In beiden Studien wurden Tiere der 5-HTT knock-out (5-HTT-/-) Mauslinie verwendet, die bekannt dafür sind, erhöhtes depressions- und angstähnliches Verhalten, sowie eine veränderte Stressantwort und verringertes aggressives Verhalten zu zeigen. Das Ziel der ersten Studie, der sogenannten Spatial Learning-Studie, war es herauszufinden ob Mäuse, die aufgrund des lebenslangen Fehlens des 5-HTT einen veränderten 5-HT-Spiegel besitzen, im Morris Water Maze (WM) und dem Barnes Maze (BM), zwei Verhaltenstests, die das räumliche Gedächtnis überprüfen und sich potenziell in ihrer Aversivität unterscheiden, ein verändertes Verhalten zeigen. Die Mäuse der Spatial Learing-Studie waren männlich, sechs Monate alt und waren im Ganzen zehnmal dem BM und fünfzehnmal dem WM unterzogen worden. Mein spezielles Interesse galt der Untersuchung ob es Interaktionen zwischen Genotyp und Testbedingung gibt, die sich auf den Kortikosteron-Spiegel sowie auf neurobiologischer Ebene auswirken. Zu diesem Zweck führte ich eine quantitative immunhistologische Studie durch. In dieser untersuchte ich die hippocampale aN auf Ebene der Stammzellproliferation (über den Marker Ki67) und auf Ebene von jungen unreifen Neuronen (über neuronalen Vorläuferzell-Marker NeuroD) sowie die Expression der beiden Immediate Early Genes (IEGs) Arc und cFos, als Marker für neuronale Aktivität im Hippocampus. Das Ziel der zweiten Studie, in der Mäuse unterschiedlichen 5-HTT-Genotyps chronisch mildem Stress (chronic mild stress, CMS) ausgesetzt wurden, war es herauszufinden, ob das angeborene, verstärkte depressions- und angstähnliche Verhalten von 5-HTT-defizienten Mäusen noch weiter durch den CMS moduliert wird. Hierfür wurden zwei Kohorten von einjährigen weiblichen Mäusen unterschiedlichen 5-HTT-Genotyps einer Auswahl an unvorhersehbaren Stressoren ausgesetzt. Die Mäuse der ersten Kohorte wurden nach dem CMS noch verschiedenen Verhaltenstests unterzogen, während die Mäuse der zweiten Kohorte nicht auf ihr Verhalten hin getestet wurden. Meine Aufgabe in dieser Studie zielte darauf, mögliche Interaktionseffekte zwischen dem 5-HTT-Genotyp und der Behandlung mit CMS in Bezug auf den Kortikosteron-Spiegel im Blutplasma sowie auf die aN im Hippocampus zu finden. Die aN wurde mithilfe der quantitativen Immunhistochemie und verschiedenen Markern einzelner aN-Stadien wie z.B. Ki67, NeuroD sowie DCX untersucht. Beide Studien führten zu interessanten Ergebnissen. Das aus der Literatur bekannte verstärkte depressions- und angstähnliche Verhalten der 5-HTT-/- Mäuse konnte im Rahmen unserer CMS-Studie nicht repliziert werden. Jedoch gelang uns bezüglich der bereits von mehreren Studien ebenfalls dokumentierten reduzierten lokomotiorischen Aktivität, als auch dem erhöhten Gewicht der 5-HTT-/-- im Vergleich zu den 5-HTT+/+-Mäusen der Nachweis, dass CMS vor allem in 5-HTT+/- und 5-HTT+/+ Mäusen zu vermehrtem explorativem Verhalten im Open Field Test und in der Light/Dark Box führt. Die Spatial Learning-Studie zeigte, dass 5-HTT-/- Mäuse im Vergleich zu 5-HTT+/+ Mäusen im der WM-Tests, aber nicht der BM-Tests, eine schlechter Leistung an den Tag legten, dass aber alle Mäuse unabhängig vom 5-HTT-Gentoyps gut räumlich lernen konnten. Im Hinblick auf die Stressantwort konnte gezeigt werden, dass ein einzelner Durchgang im WM oder BM zu einem vom 5-HTT-Genotyp unabhängigen Kortikosteronanstieg im Blutplasma führte. Mehrere Durchgänge resultierten jedoch in beiden Tests in Genotyp-abhängigen Unterschieden der Kortikosteronskonzentrationen. Diese waren 5-HTT-/- Mäusen im Vergleich zu 5-HTT+/- und 5-HTT+/+ Mäusen erhöht. Hierbei zeigten 5-HTT-/- Mäuse nach mehrfacher WM-Erfahrung, noch tendenziell höhere Kortikosteronkonzentrationen im Blutplasma als die Mäuse nach mehrfacher BM-Erfahrung, was auf eine höhere Aversivität des WM sowie eine höhere Stresssensitivität der 5-HTT-/- Mäuse hindeutet. In der CMS-Studie resultierte die Untersuchung von Mäusen der Kohorte 1, die vor ihrem Tod noch Verhaltenstests unterzogen worden waren, unabhängig von ihrer CMS-Erfahrung in signifikant erhöhten Kortikosteronkonzentrationen in 5-HTT-/- im Vergleich zu 5-HTT+/- und 5-HTT+/+ Mäusen. Im Gegensatz dazu waren die Kortikosteron-Werte der Kohorte 2, unabhängig vom Genotyp, in den CMS-Mäusen im Vergleich zu den Kontrollen siginikant erhöht. Die Untersuchung neuroplastischer Phänomene ergab im Rahmen der Spatial Learning-Studie in 5-HTT-/-, verglichen mit 5-HTT+/+-Mäusen, eine erhöhte Anzahl cFos- und Arc-immunreaktiven (ir) Zellen, eine erhöhte Anzahl neuronaler Vorläuferzellen (NeuroD-ir Zellen) sowie mehr proliferierende Zellen (Ki67-ir Zellen). Darüberhinaus konnte in 5-HTT-/- Mäusen gezeigt werden, dass die Leistung im WM-Test mit der Anzahl neu gebildeter junger Neurone korreliert, was für die funktionelle Relevanz der aN spricht. Auch in der CMS Studie, war die aN (DCX-ir Zellen) in 5-HTT-/- gegenüber 5-HTT+/+ Mäusen erhöht, wenn auch nur in Kontrolltieren. Außerdem konnte mit der CMS Studie gezeigt werden dass Stress, sowohl unabhängig vom Genotyp als auch in Interaktion mit dem 5-HTT-/- Genotyp, die Proliferation, sowie die Anzahl unreifer Neurone verringert. Aus den Ergebnissen der Spatial Learning-Studie folgerten wir, dass die Expression von IEGs und das Ausmaß der aN im Hippocampus von 5-HTT-defizienten Mäusen das neurobiologische Korrelat von erhöhter Ängstlichkeit sein könnte, da 5-HTT-/- Mäuse aufgrund des ihnen lebenslang fehlenden 5-HTT von sich aus einen gestressten Phänotyp mitbringen. Aufgrund des unterschiedlichen Alters und Geschlechts der Mäuse dieser beiden Studien ist es nicht leicht die Ergebnisse dieser beiden Studien zu vergleichen. Dennoch unterstützen sie die Schlussfolgerung der Spatial Learning-Studie, selbst wenn die Ergebnisse der CMS Studie denen der Spatial Learning-Studie auf den ersten Blick zu widersprechen scheinen. Und zwar zeigen die Ergebnisse, dass CMS, obwohl er sich neurobiologisch, in Form einer Verringerung von DCX-ir Zellen, auf 5-HTT-/- Mäuse auswirkt, nichts in punkto des angeborenen erhöhten Stress-Levels ausrichten kann und beinahe wirkungslos ist im Hinblick auf das Verhalten der 5-HTT-/- Mäuse. Aus alledem folgere ich, dass 5-HTT-defiziente Mäuse aufgrund ihrer lebenslang veränderten 5-HT-Homöostase einen gestressten Phänotyp aufweisen, welcher sich u.a. durch eine verstärkte Lethargie bemerkbar macht, parallel dazu zeichnen sich die 5-HTT-defizienten Mäuse durch eine verstärkte Expression von IEGs sowie durch erhöhte aN aus. Die genannte verstärkte Lethargie kann durch CMS nicht verändert oder verstärkt werden sondern wird in Situationen mit erhöhtem Stress, z. B. in Verhaltenstests wie dem WM, welche körperliche Aktivität voraussetzen, besonders leicht erkennbar.

Das serotonerge System bildet schon seit Jahrzehnten einen Schwerpunkt in der psychiatrischen Grundlagenforschung. Seinen weit verzweigten Leitungsbahnen wird eine global-modulatorische Eigenschaft für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen unterschiedlichen Hirnregionen und unterschiedlichen Neurotransmitter-systemen zugeschrieben (Hüther und Rüther, 2000). Darüber hinaus ist die serotonerge Neurotransmission ein Hauptmodulator emotionalen Verhaltens, das Angst und Ängstlichkeit ebenso umfasst wie Aggression und Impulsivität (Lesch et al., 2003). In der vorliegenden Arbeit wurden im Sinne eines Kandidatengenansatzes zwei Assoziationsstudien durchgeführt. Im ersten Teil wurde versucht, eine mögliche Assoziation zwischen der Erkrankung an affektiven Störungen und drei vorbeschriebenen SNPs des FEV-Gens aufzudecken. FEV ist das humane Homolog des in mehreren Tierversuchen untersuchten Pet-1-Gens, dem vor allem eine zentrale Bedeutung in der embryonalen Entwicklung des serotonergen Systems zugeschrieben wird. Zusätzlich wurde ein 286 bp langer Abschnitt des Exon 3 sequenziert, um die Häufigkeit der sieben in diesem Abschnitt beschriebenen SNPs bei unipolar depressiven Patienten abzuschätzen und ggf. neue Varianten zu detektieren. Der zweite Teil untersuchte das Auftreten zweier bereits von anderen Autoren beschriebener SNPs des TPH2-Gen bei an der adulten Form des ADHS leidenden Patienten im Vergleich zu einer Kontrollgruppe. Die im zentralen serotonergen System dominierende Tryptophanhydroxylase 2 (TPH2) ist das erste, geschwindigkeitsbegrenzende Enzym der Serotonin-Biosynthese. Die Genotypisierung der einzelnen SNPs erfolgte mit unterschiedlichen Methoden. So kam sowohl die PCR, der Restriktionsenzymverdau, die Minisequenzierung (SNaPshot®) als auch die MALDI-ToF Massenspektrometrie und die Sequenzierung zum Einsatz, die Auftrennung einzelner Schnittprodukte erfolgte durch die Gelelektrophorese. Die erste Stichprobe umfasste 270 Patienten (davon 179 weiblich) mittleren Alters mit einer Diagnose aus dem affektiven Formenkreis (180 mit bipolar-affektiver Störung gemäß den DSM-IV Kriterien, weitere 90 Patienten mit einer rezidivierenden unipolaren depressiven Störung) sowie 362 (davon 174 weibliche) Kontrollpersonen. Die Stichproben der zweiten Studie umfassten 284 am adulten ADHS (Diagnose nach DSM IV) leidende Patienten (140 davon weiblich) und 120 Kontrollpersonen (61 davon weiblich). Statistisch wurden die Daten sowohl auf Einzelmarker- als auch auf Haplotypniveau ausgewertet. In beiden Studien konnte keine Assoziation der untersuchten Polymorphismen des FEV- bzw. TPH2-Gens mit der jeweiligen Erkrankung (affektive Störung / adultes ADHS), weder auf Einzelmarker- noch auf Haplotypniveau, nachgewiesen werden. Die Sequenzierung des 286 bp langen Abschnitts von Exon 3 des FEV-Gens zeigt eine ausgeprägte Konservierung der Sequenz dieses Gens, wie sie auch von anderen Autoren beschrieben wurde. Die hier untersuchten Kandidatengene FEV und TPH2 sind auch weiterhin interessante Ansatzpunkte für die psychiatrische Grundlagenforschung. Die Aufklärung der genauen Wirkungsweise von FEV und seine Rolle in der Entwicklung des menschlichen serotonergen Systems erscheint jedoch vordergründig, um zunächst Funktion, Interaktionen und mögliche pathogenetische Mechanismen aufzudecken und dann gezielter die Einflüsse bestimmter Polymorphismen zu untersuchen. / Since decades, the serotonergic system is one major focus of basic research in psychiatry. The widely branched serotonergic network is thought to have global-modulatory impact on diverse brain regions and transmitter systems (Hüther & Rüther, 2000). Moreover, serotonergic neurotransmission plays a key modulatory role in emotional behavior, including for example fear, anxiety, aggression and impulsivity (Lesch et al., 2003). Within the present manuscript, two association studies focussing on two candidate genes of the serotonergic system are presented. The first study aimed at investigating the association between affective disorders and three previously described SNPs of the FEV gene. FEV is considered the human homolog of the murine Pet-1-gene and has been suggested to be of key importance for the embryonic development of the serotonergic system. In addition, the study aimed at detecting new variants, and therefore assessed the frequency of seven new SNPs located on a 286 bp long part of the Exon 3, and tested for their association with unipolar depressive disorder. The second study aimed to compare the frequency of two previously described SNPs of the TPH2- gene between a sample of adult ADHD patients and a sample of healthy controls. TPH2 is thought to be the dominating speed reducing enzyme to central serotonergic biosynthesis. While genotyping of the respective SNPs was done using different methods, i.e. PCR, restriction enzyme digest, SNaPshot®, MALDI-ToF mass spectrometry as well as sequencing, all cleavage products were separated using gel-electrophoresis. The first studies‘ sample consisted of N=270 middle-aged patients (179 female) diagnosed for affective disorders according to DSM-IV criteria (i.e. n=180 bipolar disorder, n=90 unipolar depression), and N=362 (174 female) healthy controls. Within the second study, N=284 patients suffering from adult ADHD (140 female) and 120 healthy controls (61 female) were investigated. Data within both studies have been analyzed for single-marker as well as for haplotype associations. In both studies, no associations between the polymorphisms under investigation and the respective disorders were found (neither on the single-marker nor on the haplotype level). In accordance with previous reports, a marked conservation of a section of the Exon 3 sequence (286 bp) of the FEV gene was found. Although both candidate genes (FEV, TPH2) are of further interest for basic research into Psychiatry, unraveling the role of FEV in the development of the human serotonergic system seems to be of primary importance. Once the functional associations, interactions and pathogenic mechanisms have been discovered, future research might be able to more specifically target the role of single polymorphisms within the serotonergic network.

Abstract not available

Biogenic amines are important messenger substances in the central nervous system and in peripheral organs of vertebrates and of invertebrates. The honeybee, Apis mellifera, is excellently suited to uncover the functions of biogenic amines in behaviour, because it has an extensive behavioural repertoire, with a number of biogenic amine receptors characterised in this insect. In the honeybee, the biogenic amines dopamine, octopamine, serotonin and tyramine modulate neuronal functions in various ways. Dopamine and serotonin are present in high concentrations in the bee brain, whereas octopamine and tyramine are less abundant. Octopamine is a key molecule for the control of honeybee behaviour. It generally has an arousing effect and leads to higher sensitivity for sensory inputs, better learning performance and increased foraging behaviour. Tyramine has been suggested to act antagonistically to octopamine, but only few experimental data are available for this amine. Dopamine and serotonin often have antagonistic or inhibitory effects as compared to octopamine. Biogenic amines bind to membrane receptors that primarily belong to the large gene-family of GTP-binding (G) protein coupled receptors. Receptor activation leads to transient changes in concentrations of intracellular second messengers such as cAMP, IP3 and/or Ca2+. Although several biogenic amine receptors from the honeybee have been cloned and characterised more recently, many genes still remain to be identified. The availability of the completely sequenced genome of Apis mellifera will contribute substantially to closing this gap. In this review, we will discuss the present knowledge on how biogenic amines and their receptor-mediated cellular responses modulate different behaviours of honeybees including learning processes and division of labour.

A major obstacle for developing new antidepressants has been limited knowledge of the structure and function of a central target, the serotonin transporter (SERT). Established SERT inhibitors (SSRIs) were docked to an in silico SERT model to identify likely binding pocket amino acid residues. When mutated singly, no one of five implicated residues was critical for high affinity in vitro binding of SSRIs or cocaine. The in silico SERT model was used in ligand virtual screening (VS) of a small molecule structural library. Selected VS "hit" compounds were procured and tested in vitro; encouragingly, two compounds with novel structural scaffolds bound SERT with modest affinity. The combination of computational modeling, site-directed mutagenesis and pharmacologic characterization can accelerate binding site elucidation and the search for novel lead compounds. Such compounds may be tailored for improved serotonin receptor selectivity and reduced affinity for extraneous targets, providing superior antidepressants with fewer adverse effects. / Mylan School of Pharmacy and the Graduate School of Pharmaceutical Sciences; / Pharmacology / MS; / Thesis;