Hintergrund: Der Transkriptionsfaktor GATA-4 ist für die normale Entwicklung des Endoderms essentiell. Mausmutanten mit einer homozygoten Deletion des gata-4 Gens versterben zwischen den embryonalen Tagen 8.5 - 10.5 aufgrund einer Störung der ventralen Morphogenese und der Ausbildung des Herzschlauches. Zielsetzung und experimentelle Strategie: Um die Bedeutung von GATA-4 auch nach der embryonalen Entwicklung untersuchen zu können, wurden doppelt-transgene Mäuse generiert. Diese Mausmutanten exprimieren einen Tetrazyklin-Repressor und eine gegen GATA-4 gerichtete short hairpin RNA (shGATA-4). Die Expression der shGATA-4 steht dabei unter der Kontrolle eines H1-Promotors, welcher durch ein Tetrazyklin-Operator Element modifiziert wurde. Dadurch ist das System durch Doxyzyklin induzierbar. Ergebnisse: Die Integration der Transgene in dem Genom der Maus wurde durch Southern-Blot Analyse nachgewiesen. Die Expression der shGATA-4 wurde durch die Applikation von Doxyzyklin über das Trinkwasser (20 mg/ml) induziert. Langzeitstudien am Herzen haben dabei eine signifikante Suppression von GATA-4 nach 38 Tagen ergeben (80 %). Diese Reduktion konnte durch Western-Blot Analyse bestätigt werden. Obwohl die Expression verschiedener Zielgene von GATA-4 (ANF, BMP-4) ebenfalls herunterreguliert war, fiel bei den transgenen Mäusen kein kardialer Phänotyp auf. Jedoch wurde die GATA-4 Expression in den Hoden und Ovarien transgener Mäuse supprimiert, nachdem shGATA-4 durch die Applikation von Doxyzyklin induziert wurde. Weiterführende Untersuchungen an adulten Mäusen zeigten eine GATA-4 Reduktion von 20 % auch in nicht mit Doxyzyklin-induzierten Mausmutanten. Diese Reduktion könnte durch einen sog. leaky-Effekt des shGATA-4 Transgens hervorgerufen worden sein, wodurch die stark eingeschränkte Fertilität dieser Mauslinie erklärt werden könnte. Interessanterweise haben ca. 10 % der mit Doxyzyklin behandelten transgenen Weibchen Ovarial-Teratome ausgebildet. Histologisch wiesen diese Teratome überwiegend (neuro-) ektodermale, vereinzelt mesodermale und nahezu keine endodermalen Strukturen auf. Schlussfolgerung: In diesem Modell hat die Suppression von GATA-4 keinen Einfluss auf die Funktion des Herzens der adulten Maus. Jedoch scheint GATA-4 für die Fertilität der Maus von großer Bedeutung zu sein. Weiterhin scheint die Suppression von GATA-4 mit der Ausbildung von Ovarial-Teratomen assoziiert zu sein. / Background: The transcription factor GATA-4 is crucial for the normal endodermal development. In mice, homozygous deficiency of GATA-4 causes defects in ventral morphogenesis and heart tube formation, resulting in embryonic death between day e8.5 and e10.5. Aim and experimental strategy: To analyze the implication of GATA-4 beyond embryonic development a double transgenic mouse expressing the tetracycline repressor (TetR) and an inducible small interfering RNA directed against GATA-4 was generated. This expression construct contains a H1 promoter modified with a tetracycline operator upstream of the coding region for the GATA-4 short hairpin RNA (shGATA-4). Results: The integration of the transgenes in FvB mice (H1:G4/TetR) was confirmed by Southern blot. To induce the expression of the shGATA-4 construct, transgenic mice were treated with doxycycline (20 mg/ml drinking water). In longitudinal analysis, most efficient GATA-4 suppression was detected after 38 days. Quantitative PCR revealed a GATA-4 reduction of about 80 % in the heart, if normalized against the wildtype. Reduction of GATA-4 was confirmed by Western Blot. Although GATA-4 target genes (ANP, BMP-4) were down regulated, the animals showed no clinical phenotype. In opposite to wildtype mice, GATA-4 expression was undetectable in the ovaries and testis of transgenic mice with induced shGATA-4. Additional analysis in adult transgenic mice, which were not treated with doxycycline, also showed a reduction of GATA-4 expression of about 20 %, probably caused by a leaky-effect of the transgene. This may explain the significantly reduced fertility of the colony. Importantly, 10 % of transgenic females treated with doxycycline developed ovarian teratomas. Histological examination of teratomas showed predominantly (neuro-) ectodermal and to a lower degree mesodermal, but almost no endodermal compounds. Conclusions: GATA-4 reduction in the adult murine heart is – at least to a certain degree – clinically redundant. GATA-4 seems to be required for normal fertility. In our model GATA-4 deficiency seems to be associated with an increased risk for developing ovarian teratoma.

Genetically modified crops are submitted to strict regulation to ensure the safety of consumers and the environment. To complement the comparison between GM plants and their counterparts, in the present Thesis, we evaluated the possible unexpected effects of the transgene on the host plant, by means of transcriptomic technologies. More exactly, we studied three pathogen-resistant GM rice lines: S-afp, expressing constitutively the antifungal protein AFP; and S-bp217 and S-bp213, expressing undecapeptide BP100 derivatives, which were developed in the UdG in the context of this Thesis. Although the high phytotoxicity of the BP100 derivatives on the host plant the transcriptional changes observed in S-afp, S-bp217 and S-bp213 compared to the conventional line Senia were similar that those observed in other GM crops, of other species and with different transgenes, and only the half of them was attributed to the insertion and/or expression of the transgene. / Les plantes modificades genèticament (MG) destinades a comercialització estan sotmeses a estricta legislació per garantir la seguretat del consumidor i del medi ambient. Per complementar la comparativa entre plantes MG i convencionals, en aquesta tesi s’ha abordat l’avaluació dels possibles efectes no esperats del transgèn sobre la planta hoste, mitjançant tècniques de transcriptòmica. Concretament s’han estudiat línies d'arròs MG que presenten fenotips de resistència a patògens: S-afp, que expressa constitutivament la proteïna antifúngica AFP, i S-bp213 i S-bp217, que expressen derivats de l’undecapèptid BP100, desenvolupat a la UdG, que s’han obtingut també en el marc d’aquesta tesi. Malgrat l’elevada fitotoxicitat dels derivats de BP100 enfront la planta hoste, els canvis transcripcionals de S-afp, S-bp213 i S-bp217 respecte la línia convencional Senia són similars als observats en altres events MG, de diferents espècies i amb diferents transgens; i només la meitat d’ells s’ha atribuit a la presència o expressió del transgèn.

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.

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The RNA interference is a mechanism, which allows cells to regulate their genes functions, to establish and maintain heterochromatin and to defend them against invasive nucleic acids. In plants, RNA interference is initiated by double-stranded RNA, which is processed by Dicer into small RNAs, usually 20-24nt long. These small RNAs form a complex with Argonaut protein that participates in different processes based on sequence complementarity. This complex can guide mRNA cleavage, translation blocking and chromatin modifications, resulting either into posttranscriptional silencing (by preventing translation of already existing mRNA, PTGS) or transcriptional silencing (by preventing transcription of mRNA, TGS). The first step of this thesis was to establish different ways of triggering PTGS and to evaluate their functionality and efficiency. The next step was a preparation of a system which would allow to study the transition from posttrancriptional to transcriptional silencing. These so called "indicator lines" should allow to observe the timing and dynamics of this process by utilizing fluorescent proteins. This system is also going to enable to evaluate, how different factors are involved in this process - one of the factors is RNA-dependent RNA polymerase 6 (RDR6) which plays an essential role in...

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.:CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 Alzheimer’s disease 1 1.2 APP processing and β-amyloid production 2 1.3 Cholinergic dysfunction in Alzheimer’s disease 5 1.4 Cerebrovascular abnormalities in Alzheimer’s disease 8 1.5 Cholinergic innervation of intracortical cerebral microvessels 9 1.6 Transgenic Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease 11 1.7 Aim of study 14 CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODS 2.1 Materials 15 2.1.1 Chemical reagents used 15 2.1.2 Biological reagents used 15 2.1.3 Preparation of solutions and buffers 15 2.1.4 Antibodies and reagents used for immunohistochemistry 17 2.1.5 Transgenic animals 19 2.2 Methods 20 2.2.1 Tissue preparation and sampling of sections 20 2.2.2 Immunohistochemistry 20 2.2.2.1 Protocol of immunofluorescent labeling 20 2.2.2.2 Protocol of immunoperoxidase labeling (ABC technique) 21 2.2.2.3 Combination of primary and secondary antibodies 22 2.2.2.4 Protocol of β–amyloid immunolabeling (Formic acid epitope retrieval method) 23 2.2.3 Histochemistry 23 2.2.3.1 Thioflavin S staining 23 2.2.3.2 Nissl staining 23 2.2.3.3 Solanum Tuberosum Lectin (STL) staining 24 2.2.4 Double and triple-coloured immuno-/ histochemical staining of brain sections 24 2.2.5 Microscopy and digital image processing 25 2.2.6 Morphological and morphometric analyses 25 2.2.6.1 Cortical microvessels 25 2.2.6.2 Cortical cholinergic innervation 27 2.2.6.2.1 Total density of VAChT-immunoreactivity 27 2.2.6.2.2 Estimation of the density of varicosities on cholinergic fibres 29 2.2.6.3 Estimation of cholinergic perivascular innervation of cortical microvessels 29 2.2.6.4 Three-dimensional-imaging of vessels innervation 30 2.2.7 Statistical analysis 30 CHAPTER 3: RESULTS 3.1 Developmental and amyloid plaque-related changes in cerebral cortical capillaries in transgenic Tg2576 Alzheimer mice 31 3.1.1 Morphological distribution of brain vessels in the cerebral cortex of wild type mice 31 3.1.2 Microvessel density under plaque burden 33 3.2 Developmental and amyloid plaque-related changes in cholinergic neurotransmission in cholinoceptive target regions of transgenic Tg2576 mice 39 3.2.1 Visualisation of cholinergic nerve terminals in mouse brain 39 3.2.2 VAChT-Expression in wild type and transgenic Tg2576 mice 40 3.3 Role of cholinergic system in β-amyloid-related changes in the cerebrovascular system of transgenic Tg2576 mice 46 3.3.1 Solanum tuberosum lectin (STL) histochemistry in visualisation of brain vessels, β-amyloid, and microglia 46 3.3.1.1 Solanum tuberosum lectin and brain vessels 46 3.3.1.2 Solanum tuberosum lectin and β-amyloid plaques 47 3.3.1.3 Solanum tuberosum lectin staining to visualize glial cells 48 3.3.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 and wild type mice 50 CHAPTER 4: DISCUSSION 4.1 β-Amyloid and brain vascular system: the vascular hypothesis of Alzheimer’s disease 55 4.1.1 Evidences of a role of vascular mechanisms in Alzheimer’s disease 55 4.1.2 Effect of β-amyloid on brain vascular system 57 4.1.3 Effect of ischemia and hypoperfusion on APP processing 59 4.1.4 Effect of β-amyloid on cholinergic function in brain vascular system 59 4.2 Aim of study and main results obtained 61 4.3 Age-related changes in cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 62 4.4 Age-related changes of cholinergic terminals in cholinoceptive target regions in the presence and absence of β-amyloid plaque load 64 4.4.1 VAChT – a reliable marker for detection of cholinergic terminals in cerebral cortex 64 4.4.2 The barrel field of the somatosensory cortex 1 (S1BF) as a model region to reveal age-related changes in cholinergic innervation 65 4.4.3 VAChT expression: morphological and morphometric studies 66 4.5 Age-related changes in cholinergic innervation of cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 69 4.5.1 STL – a mono-marker for detection of cortical vessels, senile amyloid plaques and activated microglia in cerebral cortex 69 4.5.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 mice 70 4.5.3 Quantitation of cholinergic input on cerebral microvessels of mouse brain 71 4.6 Summary and conclusions 75 REFERENCES 77

In the present study 5-hydroxytryptamine (5-HT) 1A receptor knockout mice (KO), mice overexpressing the 5-HT1A receptor (OE), and wild-type (WT) mice were used to investigate the influence of 5-HT1A receptor on the development of the serotonergic system in the brain, from the embryonic day 12.5 to the postnatal day 15.5. Neither the absence nor the overexpression of 5-HT1A receptor influenced the development and differentiation of serotonergic neurons in the raphe area of the mouse brain. However, a delay in the initial development of the serotonergic projections to the mesencephalic tegmentum, cerebral cortex and hypothalamus was observed in both transgenic mice lines. The brain levels of 5-HT and 5-hydroxyindoleacetic acid were significantly higher in both transgenic mice lines during the late embryonic and early postnatal periods as compared to WT mice. An increase in the turnover of 5-HT was not observed before the early postnatal period. Both the absence and the overexpression of 5-HT1A receptor delayed the development of the dopaminergic system of the mesencephalic tegmentum in the early embryonic period. In OE mice the postnatal development of the noradrenergic system appeared to be exaggerated. The immunoreactivity for the neurotrophic protein S100ß was higher in the cerebral cortex, striatum and hippocampus of OE mice as compare to WT and KO mice. The expression of synaptic proteins, such as synapatobrevin and synaptotagmin was reduced in KO and OE mice during the early embryonic period. This reduction may be linked to the delayed development of the serotonergic projections and the dopaminergic system. In addition, no influence of 5-HT1A receptor mutations on the myelination of the brain was observed. Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden die 5-Hydroxytryptamin (5-HT)1A Rezeptor Knockout (KO), überexprimierenden (ÜE) Mäuse und die Wild-Typ (WT) Mäuse, in den Entwicklungsperioden vom embryonalen Tag 12,5 bis postnatalen Tag 15,5 untersucht, um weitere Informationen über den Einfluss vom 5-HT1A Rezeptor auf die Entwicklung des serotonergen Systems im Gehirn zu erhalten. Sowohl das Fehlen des 5-HT1A Rezeptors als auch dessen Überexpression hatten zwar keinen Einfluss auf die Entwicklung und Differenzierung der serotonergen Neurone in den Raphe Regionen, verzögerte aber die erste Entwicklung der serotonergen Innervierungen im mesencephalen Tegmentum, Hypothalamus und cerebralen Cortex. In den späten embryonalen und insbesondere frühpostnatalen Perioden waren die 5-HT- und 5-HIAA-Spiegel bei KO und ÜE Mäusen im Vergleich zu WT Mäusen signifikant erhöht. Eine Erhöhung des 5-HT Turnovers wurde erst in der frühpostnatalen Periode beobachtet. Auch die Entwicklung des dopaminergen Systems im Mesencephalon war in der frühen embryonalen Periode sowohl bei KO als auch bei ÜE Mäusen verlangsamt. Die Überexpression des 5-HT1A Rezeptors begünstigte möglicherweise die postnatale Entwicklung des noradrenergen Systems. Bei ÜE Mäusen war die Immunreaktivität des neurotrophen Proteins S100? im cerebralen Cortex, Hippocampus und Striatum stärker als bei WT und KO Mäusen. Die Expression der synaptischen Proteine wie Synaptobrevin und Synaptotagmin war sowohl bei KO als auch bei ÜE Mäusen in der frühen embryonalen Periode verzögert. Dies könnte mit der verzögerten Entwicklung der serotonergen Projektionen und des dopaminergen Systems in Zusammenhang stehen. Darüber hinaus hatten transgene Veränderungen am 5-HT1A Rezeptor keinen Einfluss auf die Myelinisierung im Gehirn der Maus. Schlagwörter: serotonerges System, Entwicklung des Gehirns, 5-HT1A Rezeptor, transgene Mäuse, dopaminerges System, noradrenerges System, S100ß, Synaptisches Protein, Myelinisierung / In the present study 5-hydroxytryptamine (5-HT) 1A receptor knockout mice (KO), mice overexpressing the 5-HT1A receptor (OE), and wild-type (WT) mice were used to investigate the influence of 5-HT1A receptor on the development of the serotonergic system in the brain, from the embryonic day 12.5 to the postnatal day 15.5. Neither the absence nor the overexpression of 5-HT1A receptor influenced the development and differentiation of serotonergic neurons in the raphe area of the mouse brain. However, a delay in the initial development of the serotonergic projections to the mesencephalic tegmentum, cerebral cortex and hypothalamus was observed in both transgenic mice lines. The brain levels of 5-HT and 5-hydroxyindoleacetic acid were significantly higher in both transgenic mice lines during the late embryonic and early postnatal periods as compared to WT mice. An increase in the turnover of 5-HT was not observed before the early postnatal period. Both the absence and the overexpression of 5-HT1A receptor delayed the development of the dopaminergic system of the mesencephalic tegmentum in the early embryonic period. In OE mice the postnatal development of the noradrenergic system appeared to be exaggerated. The immunoreactivity for the neurotrophic protein S100ß was higher in the cerebral cortex, striatum and hippocampus of OE mice as compare to WT and KO mice. The expression of synaptic proteins, such as synapatobrevin and synaptotagmin was reduced in KO and OE mice during the early embryonic period. This reduction may be linked to the delayed development of the serotonergic projections and the dopaminergic system. In addition, no influence of 5-HT1A receptor mutations on the myelination of the brain was observed.

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