Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by periodic episodes of worsening symptom (e.g., shortness of breath, irregular breathing, and worse coughing with increased phlegm production), also called pulmonary exacerbations. Inflammation is an important cause of reduced lung function as inflammation contributes to airflow obstruction in the small airways and lung parenchyma. Even in individuals with mild COPD, inflammation reduces lung function, accelerates decline in lung function overtime, and increases the risk for respiratory exacerbations. Agents that reduce systemic inflammation are hypothesized to decrease the inflammation in the lungs, resulting in improvements in lung function and a decrease in exacerbation frequency. We hypothesize that antidepressants have a beneficial effect on lung function. In addition to having anti-inflammatory properties, antidepressants act upon serotonin, which is integral in central breathing control. The combination of the anti-inflammatory and serotonergic effects may provide users of selective serotonin reuptake inhibitors with a lung function benefit while avoiding the side effects of steroids. This dissertation assesses whether selective serotonin reuptake inhibitors increase concurrent lung function and reduce the risk for respiratory exacerbations. It consists of three parts: a systematic literature review and two analytic papers using large prospective databases. The systematic review of the literature identified limitations concerning the effect of selective serotonin reuptake inhibitors on lung function. Overall, the analytic papers found no support for a beneficial association between selective serotonin reuptake inhibitors and spirometry, dyspnea or pulmonary exacerbations; indeed the association was in the opposite direction as hypothesized. In addition, there was no support for meaningful mediation by inflammatory markers. Further research is needed to determine if selective serotonin reuptake inhibitors have a harmful effect on lung function and pulmonary exacerbations.

Motivation has been defined as a set of processes which enables organisms to overcome obstacles by energizing behavior in the pursuit of a goal. There are several important observations about motivated behavior which provide insight into the neural mechanisms underlying goal-directed motivation. First, motivation serves two important functions, as it both energizes behavior and also directs it toward or away from specific stimuli. Many of the behavioral tasks used to assay motivation in laboratory rodents do not specifically aim to measure these two distinct aspects of motivation. A second feature of goal-directed motivation is that it is sensitive to both costs and benefits of a given situation, enabling animals to make cost-benefit decisions. Again, many of the behavioral tasks which study cost-benefit decision making do not specifically aim to independently measure the impact of cost manipulations and benefit manipulations in an isolated manner. Here, I first develop behavioral measures which aim to specifically dissociate activational and directional effects of motivation. By characterizing a novel behavioral measure known as a Progressive Hold Down (Ph.D.) task, and using this task in parallel with a more traditionally used Progressive Ratio (PR) task, I show that methamphetamine robustly enhances activational effects of motivation, leading to increased response rates in both the Ph.D. and PR task, but mice are not more goal-directed in the Ph.D. task. I next develop and characterize two novel behavioral assays which are specifically used to examine effort and value contributions to cost-benefit decision making. The Concurrent Effort Choice (CEC) task measures how changes in effort levels impact decision making whereas the Concurrent Value Choice (CVC) task measure how changes in reward value impact decision making. Using these novel assays to examine specific processes important for goal-directed motivation, I carefully examine the role of manipulation of the Dopamine D2 receptor (D2R) in a mouse model which over-expresses the D2R within the striatum (D2R-OE), and the role of pharmacological manipulation of the Serotonin 2C receptor (5-HT2CR) with the functionally selective ligand SB242084. Whereas D2R-OE specifically impacts sensitivity to changes in effort levels which decrease overall levels of goal-directed motivation, selective modulation of the 5-HT2CR via treatment with SB242084 increases response vigor through enhanced dopamine release in the dorsomedial striatum, but this increase in response vigor does not alter sensitivity to effort or value changes when working for rewards. Together, these studies demonstrate the benefits of developing a more nuanced understanding of how specific manipulations impact motivated behavior by examining the specific underlying processes being altered.

The causes of autism spectrum disorder (ASD) are not all known, but it is suspected that the serotonin transporter (SERT) plays an important role for some subjects with ASD. Mutations in the SLC6A4 gene, that encodes SERT, including the Ala56 mutation (Gly56Ala), have been found in some autism patients. This mutation makes the transporter more active and reduces the probability of serotonergic neurotransmission in the brain, which is linked to behavioral changes that are associated with core domain deficits of ASD 1. Depression also has been linked to decreases in the availability of serotonin (5-hydroxytryptamine; 5-HT) in the central nervous system (CNS), and is associated with reduced hippocampal neurogenesis. Selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), drugs used to block SERTs, are used to treat depression and/or anxiety by inhibiting SERT to increase synaptic 5-HT levels. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2019. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

L'agressivité est un comportement fréquemment observé chez les animaux et qui est notamment modulé par la sérotonine (5-HT) et les hormones stéroïdes. Cependant, même si des hypothèses évoquent une interaction possible entre ces molécules dans la régulation des comportements agressifs, peu d’études permettent de les confirmer. De plus les mécanismes neuronaux sous-tendant ces comportements agressifs sont encore peu connus. En utilisant comme modèle l'écrevisse de Louisiane, très étudiée pour son comportement agressif et ses hiérarchies sociales, ce travail montre comment la 5-HT et les hormones stéroïdes modifient les réseaux neuronaux et contrôlent ainsi l'agressivité de ces animaux. La mue des écrevisses est contrôlée par une hormone stéroïde appelée 20-hydroxyecdysone (20E), dont la concentration augmente pendant la prémue. Durant cette période, la 20E diminue à la fois l’agressivité des écrevisses et la locomotion. L’activité du réseau locomoteur, un des supports essentiels de l'agressivité (permettant les approches, les attaques… ou les fuites) et son intégration sensori-motrice sont fortement inhibés également. Cette inhibition passe par une réduction de la réactivité des réseaux, notamment via la baisse de résistance d’entrée (Rin) des motoneurones. En présence de 20E, la concentration de 5-HT augmente fortement dans l’organisme par l’inhibition présumée de la voie de dégradation de la 5-HT. Nous supposons comme déjà décrit sur d’autres réseaux que cette augmentation bloquerait les réseaux dans un état inhibée. Cet état inhibée serait maintenu par la baisse de Rin, causée par la libération de 5-HT sur la partie périphérique des MN principalement inhibitrice. / In animal kingdom, aggressivity is a very frequent behavior obvious. Serotonin (5-HT) and steroid hormones modulate this behavior. However, even if several hypothesis raise that one interaction is possible between these molecules to control aggressivity, no study can confirm it. Moreover, neuronal actions behind this behavior stay unclear. In this study, we show how 5-HT and steroid hormones can regulate neural networks and aggressivity. Crayfish molting is regulated by a steroid hormone, called 20-hydroxyecdysone (20E) and its concentration increases during pre-molt period. 20E decreases crayfish aggressivity and locomotion. Locomotors activities and sensory-motor integration are also inhibited during pre-molt. This inhibition is caused by a drop of neural reactivity because input resistance of motoneurons decreases. After injection of 20E or during pre-molt period, 5-HT concentration increase. We think this increase would block networks in inhibition state during pre-molt.

Cathinones are psychostimulant compounds heavily implicated as drugs of abuse. They exert their physiological actions at the monoamine transporters, which are responsible for maintaining synaptic neurotransmitter homeostasis. Monoamine transporters produce currents during transport and have been shown to depolarize cell membranes and activate voltage-gated calcium channels in mammalian expression systems. This phenomenon is harnessed in an assay which measures these induced calcium transients, allowing for quantification of pharmacodynamic effects of compounds at monoamine transporters. It is unknown if this electrical coupling occurs in neurons, but the implications if it does are significant. In the current work, fluorescent resonance energy transfer studies of HEK cells expressing hDAT suggest that a subpopulation of monoamine transporters and calcium channels may be interacting directly. Additionally, this work presents calcium assay data comparing several novel methcathinone analogs. Of the compounds tested, a single α-methyl substituent at the α-carbon yields the greatest potency at hDAT. The implications of these results shed light on future psychostimulant studies and further define the physiological relationship of the components of a system used to study these compounds.

Based on genetic association and functional imaging studies, reduced function of tryptophan hydroxylase-2 (TPH2) has been shown to be critically involved in the pathophysiology of anxiety-disorders and depression. In order to elucidate the impact of a complete neuronal 5-HT deficiency, mice with a targeted inactivation of the gene encoding Tph2 were generated. Interestingly, survival of Tph2-/- mice, the formation of serotonergic neurons and the pathfinding of their projections was not impaired. Within this thesis, I investigated the influence of 5-HT deficiency on the γ-amino butyric acid (GABA) system. The GABAergic system is implicated in the pathophysiology of anxiety disorders. Therefore, measurement of GABA concentrations in different limbic brain regions was carried out. These measurements were combined with immunohistochemical estimation of GABAergic cell subpopulations in the dorsal hippocampus and amygdala. In Tph2-/- mice GABA concentrations were increased exclusively in the dorsal hippocampus. In heterozygous Tph2+/- mice concentrations of GABA were increased in the amygdala compared to Tph2-/- and wt control mice, while the reverse was found in the prefrontal cortex. The changes in GABA concentrations were accompanied by altered cell density of GABAergic neurons within the basolateral complex of the amygdala and parvalbumin (PV) neurons of the dorsal hippocampus and by adaptational changes of 5-HT receptors. Thus, adaptive changes during the development on the GABA system may reflect altered anxiety-like and depressive-like behavior in adulthood. Moreover, chronic mild stress (CMS) rescues the depressive-like effects induced by 5-HT deficiency. In contrast, 5-HT is important in mediating an increased innate anxiety-like behavior under CMS conditions. This is in line with a proposed dual role of 5-HT acting through different mechanisms on anxiety and depressive-like behavior, which is influenced by gene-environment interaction effects. Further research is needed to disentangle these complex networks in the future. / Genomweite Assoziationsstudien in Kombination mit bildgebenden Studien zeigten, dass eine verringerte Funktion der Tryptophanhydroxylase-2 (Tph2) eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie von Angststörungen und Depression spielt. Jedoch sind die einer Angststörung oder Depression zugrundeliegenden genauen Mechanismen noch nicht verstanden. Um den Einfluss einer 5-HT Defizienz zu untersuchen, wurden Tph2 ablatierte (Tph2-/-) Mäuse mittels zielgerichteter Mutagenese generiert. Der Verlust des Tph2 Gens hatte interessanterweise keinen Einfluss auf die Entwicklung vormals serotonerger Neurone und das Überleben der Tiere. In vorherigen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass 5-HT das GABAerge System, welches in der Pathophysiologie von Angststörungen eine zentrale Rolle spielt, in seiner Entwicklung beeinflusst. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit in verschiedenen Gehirnregionen des limbischen Systems Konzentrationen von GABA gemessen. Außerdem wurden mittels immunhistologischer Untersuchungen die Auswirkungen einer 5-HT Defizienz auf GABAerge Neuronenpopulationen hin untersucht. In Tph2-/- Mäusen wurden erhöhte Konzentrationen im Vergleich zu Tph2+/- und wt Kontrollen von GABA im Hippocampus festgestellt. In der Amygdala zeigten die Tph2+/- Mäuse dagegen eine erhöhte Konzentration von GABA. Dieser Effekt auf Tph2+/- Mäuse war umgekehrt im PFC Kortex zu finden, der erniedrigte GABA Konzentrationen in Tph2+/- aufwies. Die Veränderungen auf der neurochemischen Ebene wurden begleitet von veränderten GABAergen Zelldichten im basolateralen Komplex der Amygdala und parvalbuminergen GABAergen Neuronen in der CA3 Region des dorsalen hippocampus. Zudem waren 5-HT1A Rezeptoren und ihre Signalwege hochreguliert. Es scheint, dass der Verlust von 5-HT adaptive Veränderungen in der Entwicklung auf das GABAerge System zur Folge hat und die Basis für verändertes angstähnliches und depressionsähnliches Verhalten im Erwachsenenalter darstellt. Zusätzlich scheint eine 5-HT Defizienz den depressiven Phänotyp im Porsolt Test auszugleichen. Demgegenüber scheint 5-HT wichtig für ein erhöhtes angstähnliches Verhalten unter CMS Bedingungen zu sein. Dies unterstützt die Hypothese einer Doppelrolle von 5-HT innerhalb von Signalwegen und Mechanismen des angst- und depressionsähnlichem Verhalten, die durch Umweltfaktoren wie Stress stark beeinflusst werden. Um den Patienten noch besser helfen zu können erfordert dies in der Zukunft weiterhin eine fundierte Entschlüsselung der dahinter verborgenen Mechanismen.

Serotonin (5-HT) has been implicated in the regulation of emotions as well as in its pathological states, such as anxiety disorders and depression. Mice with targeted deletion of genes encoding various mediators of central serotonergic neurotransmission therefore provides a powerful tool in understanding contributions of such mediators to homeostatic mechanisms as well as to the development of human emotional disorders. Within this thesis a battery of electrophysiological recordings were conducted in the dorsal raphe nucleus (DRN) and the hippocampus of two murine knockout lines with deficient serotonergic systems. Serotonin transporter knockout mice (5-Htt KO), which lack protein responsible for reuptake of 5-HT from the extracellular space and tryptophan hydroxylase 2 knockout (Tph2 KO) mice, which lack the gene encoding the neuronal 5-HT-synthesising enzyme. First, 5-HT1A receptor-mediated autoinhibition of serotonergic neuron firing in the DRN was assessed using the loose-seal cell-attached configuration. Stimulation of 5-HT1A receptors by a selective agonist, R-8-hydroxy-2-(di-n-propylamino)tetralin (R-8-OH-DPAT), showed a mild sensitisation and a marked desensitisation of these receptors in Tph2 KO and 5-Htt KO mice, respectively. While application of tryptophan, a precursor of 5-HT and a substrate of Tph2, did not cause autoinhibition in Tph2 KO mice due to the lack of endogenously produced 5-HT, data from 5-Htt KO mice as well as heterozygous mice of both KO mice lines demonstrated the presence of autoinhibitory mechanisms as normal as seen in wildtype (WT) controls. When the Tph2-dependent step in the 5-HT synthesis pathway was bypassed by application of 5-hydroxytryptophan (5-HTP), serotonergic neurons of both Tph2 KO and 5-Htt KO mice showed decrease in firing rates at lower concentrations of 5-HTP than in WT controls. Elevated responsiveness of serotonergic neurons from Tph2 KO mice correspond to mild sensitisation of 5-HT1A receptors, while responses from 5-Htt KO mice suggest that excess levels of extracellular 5-HT, created by the lack of 5-Htt, stimulates 5-HT1A receptors strong enough to overcome desensitisation of these receptors. Second, the whole-cell patch clamp recording data from serotonergic neurons in the DRN showed no differences in basic electrophysiological properties between Tph2 KO and WT mice, except lower membrane resistances of neurons from KO mice. Moreover, the whole-cell patch clamp recording from CA1 pyramidal neurons in the hippocampus of 5-Htt KO mice showed increased conductance both at a steady state and at action potential generation. Lastly, magnitude of long-term potentiation (LTP) induced by the Schaffer collateral/commissural pathway stimulation in the ventral hippocampus showed no differences among Tph2 KO, 5-Htt KO, and WT counterparts. Taken together, lack and excess of extracellular 5-HT caused sensitisation and desensitisation of autoinhibitory 5-HT1A receptors, respectively. However, this may not directly translate to the level of autoinhibitory regulation of serotonergic neuron firing when these receptors are stimulated by endogenously synthesised 5-HT. In general, KO mice studied here showed an astonishing level of resilience to genetic manipulations of the central serotonergic system, maintaining overall electrophysiological properties and normal LTP inducibility. This may further suggest existence of as-yet-unknown compensatory mechanisms buffering potential alterations induced by genetic manipulations. / Serotonin (5-HT) ist an der Regulation von der Emotionen, sowie ihrer pathologischen Zustände, wie Angststörungen und Depressionen beteiligt. Mäuse denen, mittels einer zielgerichteteten Deletion von Genen, die verschiedenste Proteine involviert in der zentralen serotonergen Nerotransmission fehlen, dienen daher als ein nützliches Tiermodell, um die Rolle dieser Mediatoren bei Homöostasemechanismen und der Entwicklung emotionaler Störungen beim Menschen zu verstehen. Im Rahmen dieser Thesis wurde eine Batterie von elektrophysiologischen Ableitungen im Hippocampus sowie in der dorsalen Raphe Nucleus (DRN) zweier Knockout-Mauslinien mit einem defizienten serotonergen Systems durchgeführt. Serotonintransporter Knockout-Mäuse (5-Htt KO), denen das Protein zur Wiederaufnahme von 5-HT aus dem extrazellulären Raum fehlt und Tryptophanhydroxylase 2 Knockout-Mäuse (Tph2 KO), denen das Gen für das 5-HT-synthetisierende Enzym im Gehirn fehlt. Zunächst wurde mittels der “loose-seal cell-attached” Aufnahmemethode die Eigenhemmung der serotonergen Neuronen untersucht, die durch 5-HT1A Rezeptoren in der DRN vermittelt wird. Stimulierung der 5-HT1A Rezeptoren durch einen selektiven Agonist, R-8-hydroxy-2-(di-n-propylamino)tetralin (R-8-OH-DPAT), zeigte eine milde Sensibilisierung und eine deutliche Desensibilisierung dieser Rezeptoren in Tph2 KO bzw. in 5-Htt KO Mäusen. Während die Anwendung von Tryptophan, eine Vorstufe von 5-HT und ein Substrat der Tph2, keine Eigenhemmung, aufgrund des Mangels an endogen produziertem 5-HT, in Tph2 KO Mäusen verursachte, wiesen Daten von 5-Htt KO Mäusen sowie von heterozygoten Mäusen beider KO Mauslinien die Existenz der Eigenhemmungsmechanismen wie in den Wildtypen (WT) nach. Wurde der Tph2-abhängige Schritt im 5-HT Syntheseweg durch Anwendung von 5-Hydroxytryptophan (5-HTP) umgangen, zeigten sowohl Tph2 KO als auch 5-Htt KO Mäuse eine Verminderung der serotonergen neuronalen Feuerungsrate bei niedrigeren Konzentrationen von 5-HTP im Vergleich zu den WT. Die erhöhte Reaktionsfähigkeit der serotonergen Neuronen von Tph2 KO Mäusen entsprechen der milden Sensibilisierung der 5-HT1A Rezeptoren. Stattdessen deuten die Reaktionen der serotonergen Neuronen von 5-Htt KO Mäusen darauf hin, dass das überschüssige Niveau von extrazellularem 5-HT, welches durch den Mangel an 5-Htt verursacht wird, 5-HT1A Rezeptoren stark genug stimuliert, um eine Desensibilisierung dieser Rezeptoren zu überwinden. Zweitens zeigten die Daten der whole-cell Patch Clamp Ableitung von serotonergen Neuronen im DRN keine Unterschiede in grundlegenden elektrophysiologischen Eigenschaften zwischen Tph2 KO und WT, außer niedrigen Membranwiderständen in KO Mäusen. Darüber hinaus zeigte die whole-cell Patch Clamp Ableitungen von CA1 Pyramidenzellen im Hippocampus der 5-Htt KO Mäuse eine erhöhte Leitfähigkeit sowohl bei Ruheständen als auch bei Aktionspotentialerzeugungen. Schließlich zeigte die Stärke der Langzeitpotenzierung (long-term potentiation: LTP) durch die Stimulation der Schaffer-Kollateralen/kommissuralen Fasern im ventralen Hippocampus keine Unterschiede zwischen Tph2 KO, 5-Htt KO, und jeweiligen WT. Zusammengefasst verursachten der Mangel und der Überschuss von extrazellularen 5-HT eine Sensibilisierung bzw. Desensibilisierung der autoinhibitorischen 5-HT1A Rezeptoren. Dies kann jedoch nicht direkt in die Regulierung von serotonergen Neuronen Feuerung umgesetzt werden, wenn die 5-HT1A Rezeptoren durch endogen synthetisiertes 5-HT stimuliert werden. Im Allgemeinen zeigten die hier untersuchten KO Mäuse, ein erstaunliches Maß an Widerstandskraft, die die allgemeinen elektrophysiologischen Eigenschaften und die normale LTP Induzierbarkeit trotz genetischer Manipulationen des zentralen serotonergen Systems aufrechterhielt. Weiterhin deutet dies auf die Existenz noch unbekannter Kompensationsmechanismen hin, die diese potentiellen Veränderungen abzudämpfen scheinen.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Dopamin, Serotonin und GABA auf das Schlafverhalten von Drosophila melanogaster genauer untersucht. Mit Hilfe von Mutanten in Wiederaufnahmetransportern für Dopamin und Serotonin konnte gezeigt werden, dass Dopamin und Serotonin entgegengesetzte Wirkungen auf die Schlafmenge der Fliegen haben. Dopamin hat eine schlafhemmende, Serotonin eine schlaffördernde Wirkung. Die Nutzung eines neuronal dopamindefizienten Fliegenstammes erweitert diese Erkenntnisse. Die Nutzung von RNAi zur Hinunterregulierung der Rezeptoren für Dopamin brachte keine weiteren Erkenntnisse, da sie zu keinem messbaren Effekt führen. Jedoch ergab eine parallel dazu durchgeführte Hinunterregulierung des GABABR2 Rezeptors, dass dieser maßgeblich für die Aufrechterhaltung des Schlafes in der zweiten Hälfte der Nacht verantwortlich ist. Es konnte gezeigt werden, dass für diese Aufgabe vor allem ihre Expression in den l-LNv Neuronen relevant ist. Dabei ist für die GABABR2 Rezeptoren kein Effekt, für Dopamin und Serotonin nur in geringen Ausmaß ein Effekt auf die Innere Uhr in Form von gering veränderter Periode zu beobachten. Durch eine Kombination der Transportermutanten für Dopamin und Serotonin mit dem intakten, als auch mutierten WHITE Transporter zeigte sich eine interessante Interaktion dieser drei Transporter bei der Regulation der Gesamtschlafmenge, wobei die white Mutation zu einer Reduzierung der Gesamtschlafmenge führt. UPLC Messungen der Stämme ergaben, dass der Effekt von white vermutlich auf dessen Einfluss auf den beta-Alanyldopamingehalt der Fliegen basiert. beta-Alanyldopamin wird bei dem Transport von Dopamin über die Gliazellen durch das Enzym EBONY gebildet, dessen Mutation in der Kombination mit intaktem WHITE und mutiertem Dopamintransporter zu einer drastischen Reduktion des Schlafes während der Nacht führt. Im Rahmen der Untersuchung konnte zudem gezeigt werden, dass entgegen des bisherigen Wissens aus Zellkulturstudien in Drosophila melanogaster kein beta-Alanylserotonin gebildet wird. Möglicherweise wird nur Dopamin, nicht jedoch Serotonin über die Gliazellen recycelt. Dies ist ein interessanter Unterschied, der sowohl eine zeitliche, als auch lokale Feinregulation der Gegenspieler Dopamin und Serotonin ermöglicht. Die Untersuchung der Dimerpartner BROWN und SCARLET zeigte, dass lediglich BROWN zu einer Reduktion des Schlafes führt. Ein Effekt, der auch in einer Fliegenlinie mit spontaner white Mutation beobachtet werden konnte. Die genaue Funktion dieses Heterodimertransporters und seine neuronale Lokalisation wurden im Rahmen dieser Arbeit noch nicht geklärt. Dennoch liegt eine Funktion als Dopamin- oder beta-Alanyldopamintransporter in Gliazellen auf Grund der ermittelten Ergebnisse nahe. Zusätzlich konnte zum ersten Mal in Drosophila melanogaster eine Funktion der Amintransporter bei der Anpassung der Inneren Uhr an extreme kurze bzw. lange Photoperioden gezeigt werden. Eine anatomische Lokalisierung des WHITE Transporters im Gehirn von Drosophila melanogaster, die weitere Charakterisierung der Rolle des WHITE/BROWN Dimers und die Zuordnung bestimmter dopaminerger und serotonerger Neurone bei der Modulation der Aktivitätsmaxima stellen spannende Fragen für zukünftige Arbeiten dar. / The main focus in the present work, was the observation of the influence of dopamine, serotonin and GABA on the sleep behaviour of Drosophila melanogaster. By utilizing mutants for the dopamine transporter as well as the serotonin transporter, it was possible to show, that dopamine and serotonin have opposing effects on the total sleep amount of flies. Dopamine has a sleep inhibiting, serotonin a sleep promoting function. A neuronal dopamine deficient stock complemented those findings. Usage of RNAi to downregulate dopamine receptors did not enhance the information, since no measurable effect could be detected. But in parallel performed experiments with RNAi mediated knockdown of GABABR2 receptors could show its role in the maintenance of sleep during the second half of the night. I could show that especially the expression in the l-LNv is needed for that. In case of the GABABR2 receptors no effect on the period was observed, for dopamine and serotonin only a minor effect on the clock in form of a mild period change accompanied those drastic sleep phenotypes. Combining the amine transporter mutants with functional as well as mutated white led to some interesting observations regarding the interaction of those transporters in regulating total sleep, in which white reduces the total sleep amount. Following up those experiments with UPLC measurements, it was shown that presumably WHITE causes its effect due to its relevance for the amount of beta-alanyldopamine in adult flies. When dopamine is transported into the glia cells, beta-alanyldopamine is synthesized by the enzyme EBONY. The ebony mutant revealed a drastic sleep phenotype when combined with an intact WHITE transporter and a mutated dopamine transporter. This leads to a dramatic decrease of sleep during the night phase. When doing the UPLC measurements it was furthermore revealed, that unexpectedly regarding the knowledge from cell culture experiments, beta-alanylserotonin cannot be detected. Presumably, only dopamine, but not serotonin is recycled by the glia cells. This interesting difference gives space for a temporal as well as for a local fine regulation of the dopamine and serotonin signals. Investigating the dimer partners of WHITE, BROWN and SCARLET, I found that BROWN just as a spontaneous white mutation that I observed, led to a decrease of total sleep. The function of this heterodimer and its neuronal localisation in the brain remains unknown. Regarding the data presented in this work, it is likely that this dimer transports either dopamine or beta-alanyldopamine in glia cells. Furthermore, I could observe that dopamine and serotonin change the ability of the circadian clock to adapt to different photoperiods, a so far unstudied phenotype. 96 An anatomical approach to localize the WHITE transporter in the brain of Drosophila melanogaster and a further characterization of the function of the WHITE/BROWN dimer, with regard to sleep and eventually the mapping of serotonergic and dopaminergic neurons, which modulate the activity peak responses, are questions for future work.

Early life stress, including exposure to prenatal stress (PS), has been shown to affect the developing brain and induce severe effects on emotional health in later life, concomitant with an increased risk for psychopathology. However, some individuals are more vulnerable to early-life stress, while others adapt successfully, i.e. they are resilient and do not succumb to adversity. The molecular substrates promoting resilience in some individuals and vulnerability in other individuals are as yet poorly investigated. A polymorphism in the serotonin transporter gene (5­HTT/SLC6A4) has been suggested to play a modulatory role in mediating the effects of early-life adversity on psychopathology, thereby rendering carriers of the lower-expressing short (s)-allele more vulnerable to developmental adversity, while long (l)-allele carriers are relatively resilient. The molecular mechanisms underlying this gene x environment interaction (GxE) are not well understood, however, epigenetic mechanisms such as DNA methylation and histone modifications have been discussed to contribute as they are at the interface of environment and the genome. Moreover, developmental epigenetic programming has also been postulated to underlie differential vulnerability/resilience independent of genetic variation. The present work comprises two projects investigating the effects of prenatal maternal restraint stress in 5-HTT deficient mice. In the first study, we examined to which extent previously observed changes in behavior and hippocampal gene expression of female 5-Htt+/- prenatally stressed (PS) offspring were associated with changes in DNA methylation patterns. Additionally, we investigated the expression of genes involved in myelination in hippocampus and amygdala of those animals using RT-qPCR. The genome-wide hippocampal DNA methylation screening was performed using methylated-DNA immunoprecipitation (MeDIP) on Affymetrix GeneChip® Mouse Promoter 1.0R arrays. In order to correlate individual gene-specific DNA methylation, mRNA expression and behavior, we used hippocampal DNA from the same mice as assessed before. 5-Htt genotype, PS and their interaction differentially affected the DNA methylation signature of numerous genes, a part of which were also differentially expressed. More specifically, we identified a differentially methylated region in the Myelin basic protein (Mbp) gene, which was associated with Mbp expression in a 5-Htt-, PS- and 5-Htt x PS-dependent manner. Subsequent fine-mapping linked the methylation status of two specific CpG sites in this region to Mbp expression and anxiety-related behavior. We furthermore found that not only the expression of Mbp but of large gene set associated with myelination was affected by a 5-Htt x PS interaction in a brain-region specific manner. In conclusion, hippocampal DNA methylation patterns and expression profiles of female PS 5-Htt+/- mice suggest that distinct molecular mechanisms, some of which are associated with changes in gene promoter methylation, and processes associated with myelination contribute to the behavioral effects of the 5-Htt genotype, PS exposure, and their interaction. In the second study, we aimed at investing the molecular substrates underlying resilience to PS. For this purpose, we exposed 5-Htt+/+ dams to the same restraint stress paradigm and investigated the effects of PS on depression- and anxiety-like behavior and corticosterone (CORT) secretion at baseline and after acute restraint stress in female 5-Htt+/+ and 5-Htt+/- offspring. We found that PS affected the offspring’s social behavior in a negative manner. When specifically examining those PS animals, we grouped the PS offspring of each genotype into a social, resilient and an unsocial, vulnerable group. While anxiety-like behavior in the EPM was reduced in unsocial, but not social, PS 5-Htt+/+ animals when compared to controls, this pattern could not be found in animals of the other genotype, indicating that social anxiety and state anxiety in the EPM were independent of each other. We then assessed genome-wide hippocampal gene expression profiles using mRNA sequencing in order to identify pathways and gene ontology (GO) terms enriched due to 5-Htt genotype (G), PS exposure (E) and their interaction (GxE) as well as enriched in social, but not unsocial, PS offspring, and vice versa. Numerous genes were affected by 5-Htt genotype, PS and most of all a GxE-interaction. Enrichment analysis using enrichr identified that the genotype affected mitochondrial respiration, while GxE-interaction-affected processes associated primarily with myelination and chromatin remodeling. We furthermore found that 5-Htt+/- mice showed profound expression changes of numerous genes in a genomic region located 10 mio kb upstream of the 5 Htt locus on the same chromosome. When looking at social vs. unsocial mice, we found that a much higher number of genes was regulated in 5 Htt+/- animals than in 5-Htt+/+ animals, reflecting the impact of GxE-interaction. Double the number of genes was regulated in social PS vs. control mice when compared to unsocial PS vs. control in both genotypes, suggesting that the successful adaption to PS might have required more active processes from the social group than the reaction to PS from the unsocial group. This notion is supported by the up-regulation of mitochondrial respiration in social, but not in unsocial, PS 5-Htt+/- mice when compared to controls, as those animals might have been able to raise energy resources the unsocial group was not. Next to this, processes associated with myelination seemed to be down-regulated in social 5-Htt+/- mice, but not in unsocial animals, when compared to controls. Taken together, PS exposure affected sociability and anxiety-like behavior dependent on the 5-Htt genotype in female offspring. Processes associated with myelination and epigenetic mechanisms involved in chromatin remodeling seemed be affected in a GxE-dependent manner in the hippocampus of these offspring. Our transcriptome data furthermore suggest that mitochondrial respiration and, with this, energy metabolism might be altered in 5-Htt+/- offspring when compared to 5-Htt+/+ offspring. Moreover, myelination and mitochondrial respiration might contribute to resilience towards PS exposure in 5-Htt+/- offspring, possibly by affecting brain connectivity and energy capabilities. / Frühes Stresserleben wie zum Beispiel in Form von pränatalem Stress (PS) kann sich auf die Entwicklung des Gehirns auswirken und einen gravierenden Einfluss auf die emotionale Gesundheit im Erwachsenenaltern ausüben, was mit einem erhöhten Risiko für eine Psychopathologie einhergeht. Manche Individuen sind jedoch frühem Stresserleben gegenüber vulnerabler, während andere Individuen sich erfolgreich anpassen, d.h. resilient sind, und widrigen Umständen nicht erliegen. Die molekularen Substrate, die Resilienz in manchen und Vulnerabilität in anderen Individuen bedingen, sind bisher nur unzureichend erforscht. Ein Polymorphismus im Serotonintransportergen (5-HTT/SLC6A4) soll eine modulierende Rolle in der Vermittlung der Effekte von frühem Stresserleben auf die Entwicklung einer Psychopathologie spielen, wobei Träger des niedrig-exprimierenden kurzen (s-) Allels empfänglicher gegenüber Stresserlebnissen während der Entwicklung sind, während Träger des langen (l-) Allels als resilienter gelten. Die molekularen Mechanismen, die dieser Gen-Umwelt-Interaktion zu Grunde liegen, sind noch nicht aufgeklärt. Epigenetische Mechanismen wie DNA-Methylierung und Histonmodifikationen könnten jedoch dazu beitragen, da sie an der Schnittfläche zwischen Genom und Umwelt liegen. Des Weiteren wird vermutet, dass epigenetische Programmierung während der Entwicklung unabhängig von genetischer Varianz zur Ausbildung von Resilienz bzw. Vulnerabilität beiträgt. Die vorliegende Arbeit umfasst zwei Projekte, in denen die Auswirkungen von pränatalem „maternal restraint“ Stress in 5-HTT defizienten Mäusen behandelt werden. In der ersten Studie wurde untersucht, in ob und in welchem Maß zuvor beobachtete Veränderungen im Verhalten und in der hippocampalen Genexpression in weiblichen PS Mäusen mit Veränderungen in DNA-Methylierungsmustern einhergingen. Des Weiteren untersuchten wir mittels RT-qPCR die Expression von Genen, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, im Hippocampus und in der Amygdala dieser Tiere. Ein genomweites hippocampales DNA-Methylierungsscreening wurde durchgeführt indem methylierte DNA mit Hilfe der Methyl-DNA-Immunoprezipitation angereichert und auf Affymetrix GeneChip® Mouse Promoter 1.0R Arrays aufgetragen wurde. Um individuelle genspezifische DNA-Methylierung, mRNA-Expression und Verhalten miteinander korrelieren zu können, wurde hippocampale DNA derselben Mäuse, die zuvor getestet wurden, dafür eingesetzt. Der 5-Htt Genotyp, PS und ihre Interaktion veränderten die DNA-Methylierung von zahlreichen Genen, wovon ein Teil auch differentiell exprimiert war. Um genau zu sein, identifizierten wir eine differentiell methylierte Region im Myelin basic protein (Mbp) Gen, was mit Mbp Expressionsveränderungen auf Grund eines 5-Htt-, PS und eines 5-Htt x PS-Effekts einherging war. Eine anschließende genauere Untersuchung dieser Region zeigte eine Assoziation zwischen dem Methylierungsstatus zweier spezifischer CpG-Stellen mit der Mbp Expression und Angst-ähnlichem Verhalten. Es zeigte sich weiterhin, dass nicht nur die Expression von Mbp sondern eines ganzes Satzes an Genen, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, durch eine 5-Htt x PS-Interaktion in einer Gehirnregionen-spezifischen Weise verändert war. Zusammenfassend weisen die hippocampalen DNA-Methylierungsmuster und Genexpressionprofile der weiblichen PS 5-Htt+/- Mäuse darauf hin, dass eindeutige molekulare Mechanismen, wovon einige mit Veränderungen in der Promotermethylierung einhergingen, und Prozesse, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, zu den Verhaltenseffekten des 5-Htt Genotyps, PS-Exposition und ihrer Interaktion beitragen. Die zweite Studie hatte zum Ziel, molekulare Substrate, die einer Resilienz gegenüber PS zu Grunde liegen, zu erforschen. Zu diesem Zweck wandten wir das gleiche „restrainst stress“ Paradigma wie zuvor auf schwangere 5-Htt+/+ Weibchen an und untersuchten die PS-Effekte auf Depressions- und Angst-ähnliches Verhalten sowie auf die Corticosteronausschüttung im Grundzustand und nach akutem „restraint stress“ im weiblichen 5-Htt+/+ und 5-Htt+/- Nachwuchs. Wir stellten fest, dass sich PS negativ auf das Sozialverhalten auswirkte. Als wir die PS Tiere genauer untersuchten, teilten wir den PS Nachwuchs jeden Genotyps in je eine soziale, resiliente und eine unsoziale, vulnerable Gruppe ein. Während das Angst-ähnliche Verhalten im EPM in unsozialen, aber nicht sozialen, 5-Htt+/+ PS Tieren im Vergleich zu Kontrolltieren verringert war, konnte man diesen Effekt im anderen untersuchten Genotyp nicht finden, was darauf hinweist, dass soziale Ängstlichkeit und die sogenannte „state anxiety“, wie in potentiell angsteinflößenden Situationen zu Tage tritt, unabhängig voneinander funktionierende Prozesse sind. Wir erstellten anschließend mittels mRNA-Sequenzierung genomweite hippocampale Genexpressionsprofile um Netzwerke und Gene Ontology (GO) Terms zu identifizieren, die auf Grund des 5-Htt Genotyps (G), der PS-Exposition (E) oder einer Interaktion (GxE) sowie in sozialem, aber nicht in unsozialem, PS Nachwuchs und umgekehrt angereichert waren. Die Expression zahlreicher Gene war durch den 5-Htt Genotyp, der PS-Exposition und vor allem einer GxE-Interaktion verändert. Durch eine Anreicherungsanalyse mittels enrichr stellten wir fest, dass die mitochondriale Atmungskette vom Genotyp beeinflusst wurde, wohingegen sich die GxE-Interaktion vor allem auf Prozesse, die mit Myelinisierung und Chromatinumgestaltung in Verbindung standen, auswirkte. Darüber hinaus fanden wir in 5-Htt+/- Mäusen höchst signifikante Expressionsveränderungen zahlreicher Gene, die in einer genomischen Region 10 mio kb in 5‘ Richtung des 5-Htt Lokus auf dem gleichen Chromosom lagen. Als wir soziale und unsoziale PS Mäuse verglichen, zeigte sich, dass eine deutlich höhere Anzahl an Genen in 5-Htt+/- Mäusen als in 5-Htt+/+ Mäusen reguliert war, was die Auswirkungen der GxE-Interaktion widerspiegelt. In beiden Genotypen war die doppelte Anzahl an Genen in sozialen PS vs. Kontroll-Tieren im Vergleich zu unsozialen PS vs. Kontroll-Tieren verändert, was darauf hinweist, dass eine erfolgreiche Anpassung an PS den sozialen Tieren möglicherweise mehr aktive Prozesse abverlangte als die Reaktion auf PS in der unsozialen Gruppe. Diese Vorstellung wird durch eine Steigerung der mitochondrialen Atmungskette auf mRNA-Ebene in sozialen, aber nicht in unsozialen, 5-Htt+/- Mäusen im Vergleich zu Kontrollmäusen unterstützt, da diese Tiere in der Lage gewesen sein könnten, Energieressourcen zu mobilisieren, die den unsozialen Tieren nicht zur Verfügung standen. Des Weiteren schienen Prozesse, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, in sozialen, aber nicht in unsozialen, PS 5-Htt+/- Mäusen im Vergleich zu Kontrollmäusen herunterreguliert zu sein. Zusammengefasst wirkte sich die PS-Exposition auf das Sozial- und Angst-ähnliche Verhalten abhängig vom 5-Htt Genotyp im weiblichen Nachwuchs aus. Prozesse, die mit Myelinisierung im Zusammenhang stehen, und epigenetische Mechanismen, die in der Chromatinumgestaltung beteiligt sind, schienen von einer GxE-Interaktion im Hippocampus dieser Tiere beeinflusst zu sein. Unsere Transkriptomdaten gaben des weiteren Hinweise darauf, dass die mitochondriale Atmungskette, und damit vermutlich auch der Energiemetabolismus, in 5-Htt+/- Tieren im Vergleich zu 5-Htt+/+ Tieren verändert sein könnte. Ferner könnten Veränderungen in der Myelinisierung sowie in der mitochondrialen Atmungskette zur Resilienzentwicklung gegenüber PS in 5-Htt+/- Mäusen beitragen, möglicherweise durch Veränderungen in der Gehirnkonnektivität und in den zu mobilisierenden Energieressourcen.

Einige psychiatrische Erkrankungen gehen mit einer Veränderung der Riechfunktion einher. In aktuellen Tiermodellen wurde durch Stimulation der Raphe Kerne, die unter anderem zum Bulbus Olfaktorius projizieren, das serotonerge System als Einflussfaktor der Riechfunktion erkannt. Unsere Hypothese geht davon aus, dass das serotonerge System die Riechleistung beeinflussen könnte. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden drei Gene des serotonergen Systems und deren psychiatrisch relevante Genpolymorphismen ausgewählt und untersucht: TPH2 (Tryptophanhydroxylase 2, rs4570625), 5-HTTLPR (Serotonintransporter-Längenpolymorphismus) und 5-HT2C (Serotonintransporter, rs3813929). Insgesamt wurden 173 gesunde Kinder eingeschlossen und auf deren Riechleistung (Riechschwelle und Diskrimination) hin mittels des Sniffin’Sticks Tests untersucht. Träger des T-Allels des TPH2-Polymorphismus sowie Träger des s-Allels, des 5-HTTLPR wiesen eine signifikant bessere Diskrimination von Gerüchen auf. Der Effekt des 5-HTTLPR ließ sich auf die Mädchen in der Stichprobe zurückführen. Der Genpolymorphismus des 5-HT2C Rezeptors wirkte sich nicht signifikant auf die Riechleistung aus. In Bezug auf die Riechsensitivität zeigten sich keine signifikanten Modulationen durch die untersuchten Genvarianten. Gene des serotonergen Systems üben bei gesunden Kindern einen modulierenden Einfluss auf die Riechfunktion aus, insbesondere auf die Riechdiskrimination. Von besonderer Bedeutung scheinen in diesem Zusammenhang der Serotonintransporter 5-HTTLPR und das Syntheseenzym TPH2 zu sein. / Some psychiatric disorders are associated with a modulation of the olfactory system. By stimulating the raphe nuclei, which among other target regions project to the olfactory bulb, the serotonergic system was recognized as an influencing factor of the olfactory function in current animal models. Our hypothesis assumes that the serotonergic system influences the olfactory performance. To test this hypothesis, three genes of the serotoninergic system and their psychollogical relevant gene polymorphisms were selected and investigated: TPH2 (tryptophan hydroxylase 2, rs4570625), 5-HTT LPR (serotonin transporter length polymorphism) and 5-HT2C (serotonin transporter, rs3813929). A total of 173 healthy children were included and examined for their olfactory performance (olfactory threshold and discrimination) using the Sniffin'Sticks test. Carriers of the T-allele of the TPH2 polymorphism as well as carriers of the s-allele of the 5-HTTLPR, exhibited significantly better odor discrimination. The effect of 5-HTTLPR polymorphism was mediated by the girls in the sample. The gene polymorphism of the 5-HT2C receptor did not significantly affect the olfactory function. In terms of odor sensitivity, no significant modulations were mediated by the examined gene variants. Genes of the serotonergic system exert a modulating influence on the olfactory function in healthy children, especially on olfactory discrimination. Of particular importance in this context are the serotonin transporter 5-HTT LPR and the synthesis enzyme TPH2.