Tryptophan hydroxylase (TPH) catalyzes the rate-limiting step of the synthesis of serotonin. Recently, it was discovered that in mammals, serotonin synthesis is initiated by two distinct tryptophan hydroxylases, TPH1 and TPH2. It was postulated that TPH1 is responsible for serotonin synthesis in peripheral tissues, whereas TPH2 synthesized serotonin within the central nervous system. By genetically ablating TPH2, we created mice (Tph2-/- mice) which lack serotonin in the central nervous system. Thus, we confirmed that the majority of central serotonin is generated by TPH2. Tph2-/- mice can be born and survive until adulthood. Depletion of serotonin signaling in the brain leads to growth retardation and 50% of lethality in the first four weeks of postnatal life. The role of central serotonin in autonomous processes is revealed. Telemetric monitoring revealed more extended daytime sleep, suppressed respiration, altered body temperature control and decreased blood pressure and heart rate during nighttime in Tph2-/- animals. The importance the central serotonin exerts on hypothalamo-pituitary axis (HPA) was also highlighted during the course of the study. The full spectrum of physiological changes caused by dysfunctional HPA requires further investigation and will be done on our model. Tph2-/- females, despite being fertile and producing milk, exhibit impaired maternal care leading to poor survival of their pups. TPH2 derived serotonin has a modulatory role in the brain, and is not essential for adult life. It is, however, involved in the regulation of behavioral and autonomic pathways. We developed and characterized an efficient protocol of serotonergic differentiation from embryonic stem cells (ESC) during the course of the study. We proved the reproducibility of the system in different laboratories and confirmed the possibility of standardization of ESC differentiation. The protocol will be used to eventually select a pure population of 5-HT neurons differentiated in vitro. These neurons may be re- introduced in the brain of Tph2-/- mice, opening an exciting possibility of cell replacement therapy for central serotonergic system. An additional goal, the discovery of unknown genes involved in the serotonergic development and profiling of serotonergic phenotype, might also be achieved.
Tryptophan-Hydroxylase (TPH) katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bei der Synthese von Serotonin. Vor kurzem wurde entdeckt, dass die Serotoninsynthese bei Säugetiere von 2 bestimmten Tryptophan-Hydroxylasen, TPH1 und TPH2, ausgelöst wird. Es wurde angenommen, dass TPH1 für die Serotoninsynthese in peripheren Geweben zuständig ist, wohin gegen TPH2 Serotonin im zentralen Nervensystem synthesiert. Durch die genetische Abtragung von TPH2 gelang es uns Mäuse (Tph2-/- Mäuse), denen Serotonin im zentralen Nervensystem fehlte, zu schaffen und hierdurch zu bestätigten, dass der Großteil des zentralen Serotonins von TPH2 erzeugt wird. Tph2-/- Mäuse können geboren werden und bis zum Erwachsenenalter überleben. Der Schwund von Serotoninsignalen im Gehirn führt allerdings zu Wachstumsrückstand und 50% Letalität in den ersten 4 Wochen nach der Geburt. Während der Dauer unserer Arbeit ist es uns gelungen, die Funktion des zentralen Serotonins in eigenständigen Prozessen zu enthüllen. Durch telemetrisches Monitoring konnten wir ausgedehnte Tagesschlaf, unterdrückte Atmung, veränderte Körpertemperaturkontrolle und verminderten Blutdruck und Herzschlag, währen der Nachzeit, bei Tph2-/- -Tieren beobachten. Zusätzlich gelang es uns die Wichtigkeit des zentralen Serotonins für die Hypothalamo-hypophysäre Schilddrüsen-Achse (HPA), im Laufe unserer Untersuchung hervorzuheben. Um das volle Spektrum der physiologischen Veränderungen, verursacht durch eine dysfunktionale HPA, zu erfassen, werden weitere Untersuchung benötigt, welche auf der Basis unseres Modells stattfinden sollen. Von TPH2 stammendes Serotonin hat eine regulierende Rolle im Gehirn und ist nicht essentielle fürs Erwachsenenleben. Allerdings ist es involviert in die Regulierung von Verhalten und autonomen Nervenbahnen. Tph2-/- Weibchen weisen, trotz Ihrer Fruchtbarkeit und er Fähigkeit Milch zu produzieren, geminderte Mutterinstinkte auf, welche zu einer niedrigen Überlebensrate Ihrer Jungen führt. Im Laufe meiner Arbeit entwickelten und charakterisierten wir eine effiziente Methode, zur serotoninergen Differenzierungen embryonaler Stammzellen (ES-Zellen). Wir belegten die Reproduzierbarkeit des Systems und bestätigten die Möglichkeit der Standardisierung von ES-Zellen- Differenzierung. Unsere Methode wird schlussendlich genutzt werden um eine reine Population von 5-HT Neuronen im Reagenzglas zu selektieren. Diese Neuronen können dann in das Gehirn von Tph2-/- Mäusen evtl. wiedereingesetzt werden und so eine vielversprechende Möglichkeit zur Therapie des zentralen serotonergen Systems eröffnen. Ein zusätzliches Ziel, die Entdeckung unbekannter Gene, involviert in die serotonerge Entwicklung und die Profilierung serotonerger Phänotypen, könnte so ebenso erreicht werden.
