Nicht-kanonische Pathways der Serotonin-Homöostase in embryonalen und adulten Mäusen

Abstract

Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) ist eine wichtige und evolutionär alte Signalsubstanz, welche in einer Vielzahl rezenter Organismen und in den meisten Domänen des Lebens vorkommt. Prominent ist 5-HT vor Allem in seiner Wirkung als modulatorischer Neurotransmitter, jedoch besitzen die meisten Vertebraten auch ein, durch die Blut-Hirn-Schranke vom zentralnervösen System isoliertes, peripher-serotonerges System, welches den deutlich größeren der beiden Pools darstellt. Die Tryptophan-5-Hydroxylierung ist der Geschwindkeits-bestimmende Schritt der Serotonin-Synthese. Dieser wird in Gewebstieren nach gängigem Dogma von einer von zwei Tryptophahydroxylasen (TPH1 & -2) vollzogen, welche jeweils nur in einem der serotonergen Systeme exprimiert werden. Mausmodelle, in denen beide Gene unterbrochen wurden, zeigen im Rahmen der Messunsicherheit keinerlei nachweisbares Serotonin mehr in zentralnervösen Geweben, allerdings etwa 10% des Ausgangniveaus in einigen peripheren Geweben. Allen voran dem Blut als größtem Speicher des Körpers. In dieser Arbeit können wir durch verschiedene Verfahren in vitro und in vivo belegen, dass die Phenylalaninhydroxylase (PAH) diese Restvorkommen generiert und somit eine dritte TPH darstellt. Weiterhin wird ersten Hypothesen experimentell nachgegangen, welche physiologischen Aufgaben diese neue Quelle erfüllen könnte. Ein zweites Teilprojekt befasst sich mit der Gewebs-Homöostase in embryonalen Mäusen. In diesen nimmt Serotonin, neben seiner Rolle als Transmittersubstanz, eine in der Literatur hinreichend belegte Rolle als Morphogen ein. Embryonale Organismen stellen bezüglich 5-HT insofern einen Sonderfall dar, als dass, an Gestationstagen an denen der Embryo noch keine eigene Synthese aufweist, Hinweise auf extraembryonale Quellen für Serotonin existieren. Weiterhin ist anhand der Literatur fraglich, zu welchem Gestationstag die Blut-Hirn-Schranke die beiden, in adulten Organismen vorhandenen, serotonergen Systeme trennt und welchen quantitativen Einfluss die Systeme zuvor aufeinander haben. Diesen beiden Fragestellungen wird anhand geeigneter experimenteller Verfahren und Tiermodellen in vivo nachgegangen. Abschließend wird der Einfluss auf weitere Transmittersysteme und das Embryonalgewicht als Surrogatparameter des embryonalen Wachstums geprüft.

Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) is an important and evolutionarily ancient signaling substance that is present in a variety of recent organisms throughout most domains of life. Prominence is given to 5-HT primarily in its role as a modulatory neurotransmitter, but most vertebrates also possess a peripheral-serotonergic system, which is isolated from the central nervous system by the blood-brain barrier and represents the much larger of the two pools. Tryptophan 5-hydroxylation is the rate-determining step in serotonin synthesis. According to common dogma, in most metazoans this is carried out by one of two tryptophahydroxylases (TPH1 & -2), each of which is expressed in only one of the serotonergic systems. Mouse models in which both genes have been disrupted show, within the limits of measurement uncertainty, no detectable serotonin at all in central nervous tissues, but about 10% of baseline levels in some peripheral tissues. Most notably the blood as the body's largest store. In this work, we are able to demonstrate by multiple methods in vitro and in vivo that the phenylalanine hydroxylase (PAH) generates these residual levels and thus represents a third TPH. Furthermore, initial hypotheses are being experimentally investigated as to what physiological roles this new source might fulfill. A second subproject deals with the tissue homeostasis of 5-HT in embryonic mice. In these, serotonin, in addition to its role as a transmitter substance, has a role as a morphogen that has been adequately documented in the literature. Embryonic organisms also present a special case, since there is evidence in the literature for extraembryonic sources of serotonin, at gestational days when the embryo does not yet have its own synthesis. Furthermore, it is questionable from the literature at which gestational day the blood-brain barrier separates the two serotonergic systems present in adult organisms and what quantitative influence the systems have on each other beforehand. These two questions will be addressed using appropriate experimental procedures and animal models in vivo. Finally, the influence on further transmitter systems and the embryonic weight as surrogate parameters of embryonic growth will be examined.