Diversité fonctionnelle du facteur de transcription Tbx5 dans le coeur

Le cœur des vertébrés est un organe modulaire qui requiert le " patterning " complexe des champs morphogénétiques cardiogènes et la convergence coordonnée des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques. Au moins 7 facteurs de transcription de la famille T-box coopèrent au sein de ces nombreuses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques afin de réguler la morphogenèse et l’agencement de multiples structures le long de l’ébauche cardiaque, ce qui explique que les mutations humaines de ces gènes engendrent diverses malformations congénitales cardiaques (MCCs). L’un de ces gènes T-box, Tbx5, dont l’haploinsuffisance génère le syndrome de Holt-Oram (SHO), intervient dans une grande variété de réseaux de régulation géniques (RRGs) qui orchestrent la morphogenèse des oreillettes, du ventricule gauche, de la valve mitrale, des septums inter-auriculaire et inter-ventriculaire, ainsi que du système de conduction cardiaque. La diversité des RRGs impliqués dans la formation de ces structures cardiaques suggère que Tbx5 détient une profusion de fonctions qui ne seront identifiables qu’en répertoriant ses activités moléculaires dans chaque lignée cardiaque examinée isolément. Afin d’aborder cette problématique, une ablation génétique de Tbx5 dans l’endocarde a été réalisée. Cette expérience a démontré le rôle crucial de Tbx5 dans la survie des cellules endocardiques bordant le septum primum et des cardiomyocytes au sein de cette structure embryonnaire qui contribuera à la morphogenèse du septum inter-auriculaire. En outre, cette étude a révélé l’existence d’une communication croisée entre la sous-population de cellules endocardiques Tbx5+ et le myocarde au niveau du septum primum, afin d’assurer la survie des cardiomyocytes, et ultimement de garantir la maturation du septum inter-auriculaire. Nos résultats confirment aussi l’importance de l’interdépendance génétique (Tbx5 et Gata4 ainsi que Tbx5 et Nos3) entre différents loci dans la morphogenèse de la cloison inter-auriculaire, et particulièrement de l’influence que peut avoir l’environnement sur la pénétrance et l’expressivité des communications inter-auriculaires (CIAs) dans le SHO. En outre, puisque les fonctions d’un gène dépendent ordinairement des différents isoformes qu’il peut générer, une deuxième étude a focalisé davantage sur l’aspect transcriptionnel de Tbx5. Cette approche a mené à la découverte de 6 transcrits alternatifs exhibant des fonctions à la fois communes et divergentes. La caractérisation de 2 de ces isoformes a révélé le rôle de l’isoforme long (Tbx5_v1) dans la régulation de la croissance des cardiomyocytes durant la cardiogénèse, tandis que l’isoforme court (Tbx5_v2), préférentiellement exprimé dans le cœur mature, réprime la croissance cellulaire. Il est donc entièrement concevable que les mutations de TBX5 entraînant une troncation de la région C-terminale accroissent la concentration d’une protéine mutée qui, à l’instar de Tbx5_v2, interfère avec la croissance de certaines structures cardiaques. En revanche, la divergence de fonctions de ces isoformes, caractérisée par les disparités de localisation subcellulaire et de d’interaction avec d’autres cofacteurs cardiaques, suggère que les mutations affectant davantage un isoforme favoriseraient l’émergence d’un type particulier de MCC. Finalement, un dernier objectif était d’identifier le ou les mécanisme(s) moléculaire(s) par le(s)quel(s) Tbx5 régule son principal gène cible, Nppa, et d’en extraire les indices qui éclairciraient sa fonction transcriptionnelle. Cet objectif nécessitait dans un premier lieu d’identifier les différents modules cis-régulateurs (MCRs) coordonnant la régulation transcriptionnelle de Nppa et Nppb, deux gènes natriurétiques dont l’organisation en tandem et le profil d’expression durant la cardiogénèse sont conservés dans la majorité des vertébrés. L’approche d’empreinte phylogénétique employée pour scanner le locus Nppb/Nppa a permis d’identifier trois MCRs conservés entre diverses espèces de mammifères, dont un (US3) est spécifique aux euthériens. Cette étude a corroboré que la régulation de l’expression du tandem génique Nppb/Nppa requérait l’activité transcriptionnelle d’enhancers en complément aux promoteurs de Nppa et Nppb. La concordance quasiment parfaite entre les profils d’expression de Tbx5 et de ces deux gènes natriurétiques chez les mammifères, suggère que le gradient d’expression ventriculaire de Tbx5 est interprété par le recrutement de ce facteur au niveau des différents enhancers identifiés. En somme, les études présentées dans cette thèse ont permis de clarifier la profusion de fonctions cardiaques que possède Tbx5. Certaines de ces fonctions émanent de l’épissage alternatif de Tbx5, qui favorise la synthèse d’isoformes dotés de propriétés spécifiques. Les diverses interactions combinatoires entre ces isoformes et d’autres facteurs cardiaques au sein des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogènes contribuent à l’émergence de RRGs cardiaques divergents.

The orphan nuclear receptor NR5A2 regulates peri-ovulatory events and their consequent luteinization in mice

Le récepteur nucléaire Nr5a2, également connu sous le nom de liver receptor homolog-1 (Lrh-1), est exprimé au niveau de l’ovaire chez la souris, exclusivement dans les cellules lutéales et de la granulosa. La perturbation de Nr5a2, spécifique aux cellules de la granulosa chez la souris à partir des follicules primaires dans la trajectoire du développement folliculaire a démontré que Nr5a2 est un régulateur clé de l’ovulation et de la fertilité chez la femelle. Notre hypothèse veut que Nr5a2 régule les évènements péri- et post-ovulatoires dans une séquence temporelle lors de la folliculogénèse. Afin d'étudier l’implication de Nr5a2 lors de l’ovulation et de la lutéinisation à différents stades du développement folliculaire, nous avons généré deux modèles de souris knockout spécifiques aux cellules de la granulosa pour Nr5a2: 1) Nr5a2Amhr2-/-, avec une réduction de Nr5a2 à partir des follicules primaires et subséquents; 2) Nr5a2Cyp19-/-, avec une réduction de Nr5a2 débutant au stade antral de développement en progressant. L’absence de Nr5a2 à partir des follicules antraux a résulté en une infertilité chez les femelles Nr5a2Cyp19-/-, de même qu’en des structures non-fonctionnelles similaires aux structures lutéales au niveau des ovaires, en une réduction des niveaux de progestérone synthétisée ainsi qu’en un échec dans le support d’une pseudo-gestation. La synthèse de progestérone a été entravée suite à l’absence de Nr5a2 par l’entremise d’une régulation à la baisse des gènes reliés au transport du cholestérol, Scarb1, StAR et Ldlr, démontré par qPCR. Les complexes cumulus-oocytes des femelles Nr5a2Cyp19-/- immatures super-stimulées ont subi une expansion in vivo, mais l’ovulation a été perturbée, possiblement par une régulation à la baisse du gène du récepteur de la progestérone (Pgr). Un essai d’expansion du cumulus in vitro a démontré une expansion défectueuse du cumulus chez les Nr5a2Amhr2-/-, associée à un dérèglement de la protéine des jonctions communicantes (Gja1; Cx43). Cependant, l’expansion du cumulus chez les Nr5a2Cyp19-/- n’a pas été autant affectée. Des résultats obtenus par qPCR ont démontré une régulation à la baisse dans l’expression des gènes Areg, Ereg, Btc et Tnfaip6 chez les deux modèles de cellules ovariennes knockout à 2h et 4h post hCG. Nous avons observé que 85% des oocytes, chez les deux génotypes mutants, peuvent subir une rupture de la vésicule germinative, confirmant leur capacité de maturation in vivo. La technique d’injection intra-cytoplasmique de spermatozoïdes a prouvé que les oocytes des deux génotypes mutants sont fertilisables et que 70% des embryons résultants ont poursuivi leur développement vers le stade de blastocyste, et ce, indépendamment du génotype. En conclusion, Nr5a2 régule la fertilité chez les femelles tout au long du processus du développement folliculaire. Il a été démontré que Nr5a2 est essentiel à la lutéinisation et que sa perturbation dans les cellules somatiques ovariennes ne compromet pas la capacité des oocytes à être fertilisés. En vue d’ensemble, nous avons fourni une investigation inédite et complète, utilisant de multiples modèles et techniques afin de déterminer les mécanismes par lesquels Nr5a2 régule les importants processus que sont l’expansion du cumulus, l’ovulation ainsi que la formation du corps jaune.

Leptin modulation of locomotor and emotional behaviors : the role of STAT3 signaling in dopamine neurons

La leptine circule en proportion de la masse graisseuse du corps et la transduction de son signal à travers la forme longue de son récepteur via un certain nombre de voies neurales , y compris MAPK, PI3-K ,AMPK et JAK2 - STAT3 . Il faut noter que STAT3 constitue une voie clée au récepteur de la leptine par laquelle la leptine module l'expression des gènes impliqués dans la régulation du bilan énergétique. La plupart des recherches ont porté sur la fonction du récepteur de la leptine au sein de l' hypothalamus, en particulier la fonction du récepteur de la leptine dans le noyau arqué. Toutefois, les récepteurs de la leptine sont également exprimés sur les neurones dopaminergiques de l'aire tégmentale ventrale et la leptine agit sur cette région du cerveau pour influencer la prise alimentaire, la motivation, la locomotion, l'anxiété et la transmission de la dopamine. De plus, la leptine active la STAT3 dans les dopaminergiques et GABAergiques populations neuronales. Bien que ces résultats contribuent à notre compréhension des multiples actions de la leptine dans le système nerveux central, il reste à résoudre les cellules et la signalisation du récepteur de la leptine qui sont responsables des effets neurocomportementaux de la leptine dans le mésencéphale. Visant à déterminer la contribution de la voie de signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques du mésencéphale, nous avons généré une lignée de souris knockout conditionnel dans lequel l'activation du gène de STAT3 sur son résidu tyrosine 705 ( Tyr 705 ) est absent spécifiquement dans les neurones dopaminergiques. Avec l'utilisation de ce modèle de souris génétique, nous avons évalué l'impact de l'ablation de la signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques sur un certain nombre de fonctions liées à la dopamine, y compris l'alimentation, la locomotion, les comportements liés à la récompense, l'émotion et la libération de dopamine dans le noyau accumbens. Fait intéressant, nous avons observé un dimorphisme sexuel dans le phénotype des souris STAT3DAT-KO. L'activation de la voie de signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques est responsable de l'action de la leptine dans la réduction de la locomotion, récompense liée à l'activité physique, et de l'augmentation de la libération et de la disponibilité de la dopamine chez les souris mâles. Cependant, il ne module pas le comportement émotionnel. D'autre part, les souris femelles STAT3DAT-KO augmentent les niveaux d'anxiété et les niveaux plasmatiques de corticostérone, sans provoquer de changements de la dépression. Cependant, la perte d'activation de STAT3 dans les neurones dopaminergiques ne module pas le comportement locomoteur chez les souris femelles. Notamment, les actions de la leptine dans le mésencéphale pour influencer le comportement alimentaire ne sont pas médiées par l'activation de STAT3 dans les neurones dopaminergiques, considérant que les souris mâles et femelles ont un comportement alimentaire normal. Nos résultats démontrent que la voie de signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques est responsable des effets anxiolytiques de la leptine, et soutient l'hypothèse que la leptine communique l'état d'énergie du corps (i.e. la relation entre la dépense et les apports énergétiques) pour les régions mésolimbiques pour atténuer les effets de motivation et de récompense de plusieurs comportements qui servent à réhabiliter ou à épuiser les réserves d'énergie. En outre, ce travail souligne l'importance d'étudier la modulation de la signalisation de la leptine dans différente types de cellules, afin d'identifier les voies de signalisation et les mécanismes cellulaires impliqués dans les différentes fonctions neuro-comportementales de la leptine.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1.

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

A dual role for integrin-linked kinase in platelets: regulating integrin function and alpha-granule secretion

Integrin-linked kinase (ILK) has been implicated in the regulation of a range of fundamental biological processes such as cell survival, growth, differentiation, and adhesion. In platelets ILK associates with beta 1- and beta 3-containing integrins, which are of paramount importance for the function of platelets. Upon stimulation of platelets this association with the integrins is increased and ILK kinase activity is up-regulated, suggesting that ILK may be important for the coordination of platelet responses. In this study a conditional knockout mouse model was developed to examine the role of ILK in platelets. The ILK-deficient mice showed an increased bleeding time and volume, and despite normal ultrastructure the function of ILK-deficient platelets was decreased significantly. This included reduced aggregation, fibrinogen binding, and thrombus formation under arterial flow conditions. Furthermore, although early collagen stimulated signaling such as PLC gamma 2 phosphorylation and calcium mobilization were unaffected in ILK-deficient platelets, a selective defect in alpha-granule, but not dense-granule, secretion was observed. These results indicate that as well as involvement in the control of integrin affinity, ILK is required for alpha-granule secretion and therefore may play a central role in the regulation of platelet function. (Blood. 2008; 112: 4523-4531)

Increased hippocampal excitability and impaired spatial memory function in mice lacking VGLUT2 selectively in neurons defined by tyrosine hydroxylase promoter activity

Three populations of neurons expressing the vesicular glutamate transporter 2 (Vglut2) were recently described in the A10 area of the mouse midbrain, of which two populations were shown to express the gene encoding, the rate-limiting enzyme for catecholamine synthesis, tyrosine hydroxylase (TH).One of these populations (‘‘TH– Vglut2 Class1’’) also expressed the dopamine transporter (DAT) gene while one did not ("TH–Vglut2 Class2"), and the remaining population did not express TH at all ("TH-Vglut2-only"). TH is known to be expressed by a promoter which shows two phases of activation, a transient one early during embryonal development, and a later one which gives rise to stable endogenous expression of the TH gene. The transient phase is, however, not specific to catecholaminergic neurons, a feature taken to advantage here as it enabled Vglut2 gene targeting within all three A10 populations expressing this gene, thus creating a new conditional knockout. These knockout mice showed impairment in spatial memory function. Electrophysiological analyses revealed a profound alteration of oscillatory activity in the CA3 region of the hippocampus. In addition to identifying a novel role for Vglut2 in hippocampus function, this study points to the need for improved genetic tools for targeting of the diversity of subpopulations of the A10 area

Leptin signaling in Kiss1 neurons arises after pubertal development

The adipocyte-derived hormone leptin is required for normal pubertal maturation in mice and humans and, therefore, leptin has been recognized as a crucial metabolic cue linking energy stores and the onset of puberty. Several lines of evidence have suggested that leptin acts via kisspeptin expressing neurons of the arcuate nucleus to exert its effects. Using conditional knockout mice, we have previously demonstrated that deletion of leptin receptors (LepR) from kisspeptin cells cause no puberty or fertility deficits. However, developmental adaptations and system redundancies may have obscured the physiologic relevance of direct leptin signaling in kisspeptin neurons. To overcome these putative effects, we re-expressed endogenous LepR selectively in kisspeptin cells of mice otherwise null for LepR, using the Cre-loxP system. Kiss1-Cre LepR null mice showed no pubertal development and no improvement of the metabolic phenotype, remaining obese, diabetic and infertile. These mice displayed decreased numbers of neurons expressing Kiss1 gene, similar to prepubertal control mice, and an unexpected lack of re-expression of functional LepR. To further assess the temporal coexpression of Kiss1 and Lepr genes, we generated mice with the human renilla green fluorescent protein (hrGFP) driven by Kiss1 regulatory elements and crossed them with mice that express Cre recombinase from the Lepr locus and the R26-tdTomato reporter gene. No coexpression of Kiss1 and LepR was observed in prepubertal mice. Our findings unequivocally demonstrate that kisspeptin neurons are not the direct target of leptin in the onset of puberty. Leptin signaling in kisspeptin neurons arises only after completion of sexual maturation.

Transcriptional regulation and functional characterization of the tumor suppressor genes Hugl-1 and Hugl-2

Cancer is a multi-step process in which both the activation of oncogenes and the inactivation of tumor suppressor genes alter the normal cellular programs to a state of proliferation and growth. The regulation of a number of tumor suppressor genes and the mechanism underlying the tumor suppression have been intensively studied. Hugl-1 and Hugl-2, the human homologues of Drosophila lgl are shown to be down-regulated in a variety of cancers including breast, colon, lung and melanoma, but the mechanism responsible for loss of expression is not yet known. The regulation of gene expression is influenced by factors inducing or repressing transcription. The present study was focused on the identification and characterization of the active promoters of Hugl-1 and Hugl-2. Further, the regulation of the promoter and functional consequences of this regulation by specific transcription factors was analyzed. Experiments to delineate the function of the mouse homologue of Hugl-2, mgl2 using transgenic mice model were performed. This study shows that the active promoter for both Hugl-1 and Hugl-2 is located 1000bp upstream of transcription start sites. The study also provides first insight into the regulation of Hugl-2 by an important EMT transcriptional regulator, Snail. Direct binding of Snail to four E-boxes present in Hugl-2 promoter region results in repression of Hugl-2 expression. Hugl-1 and Hugl-2 plays pivotal role in establishment and maintenance of cell polarity in a diversity of cell types and organisms. Loss of epithelial cell polarity is a prerequisite for cancer progression and metastasis and is an important step in inducing EMT in cells. Regulation of Hugl-2 by Snail suggests one of the initial events towards loss of epithelial cell polarity during Snail-mediated EMT. Another important finding of this study is the induction of Hugl-2 expression can reverse the Snail-driven EMT. Inducing Hugl-2 in Snail expressing cells results in the re-expression of epithelial markers E-cadherin and Cytokeratin-18. Further, Hugl-2 also reduces the rate of tumor growth, cell migration and induces the epithelial phenotype in 3D culture model in cells expressing Snail. Studies to gain insight into the signaling pathways involved in reversing Snail-mediated EMT revealed that induction of Hugl-2 expression interferes with the activation of extracellular receptor kinase, Erk. Functional aspects of mammalian lgl in vivo was investigated by establishing mgl2 conditional knockout mice. Though disruption of mgl2 gene in hepatic tissues did not alter the growth and development, ubiquitous disruption of mgl2 gene causes embryonic lethality which is evident by the fact that no mgl2-/- mice were born.

Untersuchungen zu der Rolle der extrazellulären Matrix bei Fibrose und bei Tumoren

Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle der extrazellulären Matrix und insbesondere des Proteins Fibronektin bei der Leberfibrose und bei der Einnistung von Tumorzellen in die Stammzellnische im Knochenmark.rnrnHierfür wurde in einem Fibrosemodell das Peptid pUR4b verwendet, welches die Assemblierung einer Fibronektinmatrix verhindert. Bei der Verwendung dieses Peptids während und nach der Induktion einer Leberfibrose durch die Chemikalie Dimethylnitrosamin konnte eine Verminderung der Kollagenmenge (und damit des fibrotischen Narbengewebes) in der Leber im Vergleich zu fibrotischen Kontrolltieren beobachtet werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt unabhängig von der Aktivierung der hepatischen Stellatezellen ist, jedoch zum Teil von einer verminderten Anzahl entzündlicher Zellen abhängig sein könnte. Eine verminderte Bildung von Gesamt- und aktivem TGF-β, welche zum Teil auf Effekte der verringerten Zahl der inflammatorischen Zellen zurückzuführen sein könnte, unterstützt den Effekt des verminderten Aufbaus von Narbengewebe. In vitro Untersuchungen zeigten, dass hepatische Stellatezellen bei einer Behandlung mit pUR4b weniger Fibronektin in die extrazelluläre Matrix einbauten als unbehandelte hepatische Stellatezellen. Insgesamt sprechen die Daten dafür, dass das Peptid pUR4b den Aufbau einer Fibronektinmatrix verhinderte bzw. verminderte, wodurch die Ablagerung anderer Komponenten der extrazellulären Matrix wie z.B. Kollagen gestört war und es daher zu einem Rückgang des fibrotischen Narbengewebes kam.rnrnFür die Untersuchung des Einflusses der extrazellulären Matrix und des Fibronektins bei der Einnistung von Tumorzellen wurde zunächst das Fibronektin mit Hilfe konditioneller Knockout-Mäuse in verschiedenen Zellen bzw. Organen der Tiere ausgeschaltet. Weder die Ausschaltung des zirkulierenden, noch des durch Osteoblasten und Osteozyten gebildeten, noch des zirkulierenden und von Zellen des Knochenmarks gebildeten Fibronektins beeinträchtigte die Einnistung von Tumorzellen. Auch die Bildung eines Hämatoms im Knochen hatte weder einen Einfluss auf die Einnistung von Tumorzellen noch auf die spätere Tumorentwicklung. Die Ausschaltung des tumorzellendogenen Fibronektins führte hingegen zu einer signifikant verminderten Einnistung von Tumorzellen. Diese ist wahrscheinlich auf die verstärkte Affinität dieser Tumorzellen zu Zellen des Immunsystems zurückzuführen. Diese Beobachtung konnte zum Teil durch eine verstärkte eCadherin Expression erklärt werden, welche die Bindung an verschiedene Zellen des Immunsystems vermittelt. Eine Untersuchung der osteoblastischen Stammzellnische durch die kombinierte Gabe von Parathormon und Zoledronsäure führte zu keiner Veränderung der Fibronektinkonzentration innerhalb des Knochenmarks der behandelten Tiere. Dennoch nisteten sich in dem Knochenmark der mit Parathormon und Zoledronsäure behandelten Tiere signifikant mehr Tumorzellen ein als in dem von Kontrolltieren. Dieser Effekt konnte auf einen synergetischen Effekt von Parathormon und Zoledronsäure zurückgeführt werden, der zu einer gesteigerten Osteoblastenaktivität und Änderungen der Zytokinkonzentrationen im Knochenmark führte.rnZusammenfassend zeigte sich, dass eine Veränderung der extrazelluläre Matrix und insbesondere des Proteins Fibronektin bei Leberfibrose zu einem veränderten Krankheitsbild führt und die Einnistung von Tumorzellen in das Knochenmark beeinflusst.rn

Funktionelle Charakterisierung der Protein-Kinase CK2 in der Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch regulatorische T-Zellen

Regulatorische T-Zellen (Tregs) leisten durch ihre suppressiven Eigenschaften einen essenziellen Beitrag zur Aufrechterhaltung der immunologischen Toleranz. Sie verhindern schädliche Immunreaktionen gegen Autoantigene, kommensale Bakterien, sowie harmlose Nahrungsmittel-bestandteile. Gleichzeitig gewährleisten sie die Entwicklung effektiver Immunantworten gegen eindringende Pathogene, wie z.B. Parasiten, Bakterien und Viren. Damit haben Tregs direkten Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Immunität und Toleranz. Fehler in der suppressiven Funktionsweise von Tregs begünstigen daher auf der einen Seite die Entstehung zahlreicher autoimmuner Erkrankungen und Allergien. Auf der anderen Seite können Tregs Immunreaktionen bei chronischen Infektionen reduzieren, sowie die Entstehung effektiver Immunantworten gegen Tumore hemmen. Ihre Beteiligung an der Ätiologie all dieser Krankheiten macht Tregs zu einem bedeutenden potenziellen Zielobjekt, um diese Krankheiten effektiv zu therapieren. Die Erweiterung des Grundwissens um die molekularen Mechanismen der Treg-vermittelten Suppression ist daher ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung Treg-basierter Theraphieansätze. 2003 konnte mit Foxp3 ein Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der maßgeblich die suppressiven Funktionen von Tregs steuert. Um weiteren Einblick in die der Suppression zugrundeliegenden Signalwege zu erhalten, wurde im Institut für Immunologie ein komparativer Kinomarray durchgeführt, anhand dessen die Casein Kinase 2 (CK2) als eine der aktivsten Kinasen in Tregs identifiziert wurde (Daten freundlicherweise von Prof. Dr. Tobias Bopp bereitgestellt). rnBasierend auf den Ergebnissen des Kinomarrays wurde in dieser Arbeit die Funktion der CK2 in Tregs untersucht. Dabei konnte in in vitro Experimenten die Treg-vermittelte Suppression durch den pharmakologische CK2 Inhibitor DMAT aufgehoben werden. Weil derartige Inhibitoren jedoch nicht absolut spezifisch die Aktivität nur einer Kinase supprimieren, wurden außerdem Mäuse mit konditionalem „knockout“ der CK2β Untereinheit spezifisch in Tregs gekreuzt (CK2βTreg-/- Mäuse). Die Analyse dieser Tiere offenbarte eine essenzielle Beteiligung der CK2 an den suppressiven Funktionen von Tregs. So entwickeln CK2βTreg-/- Mäuse mit zunehmendem Alter Splenomegalien und Lymphadenopathien, von denen in besonderem Maße die Mukosa-assoziierten Lymphknoten betroffen sind. Eine Analyse des Aktivierungsstatus der T-Zellen in den Tieren konnte zudem einen erhöhten Anteil sogenannter Effektor-Gedächtnis T-Zellen aufdecken, die charakteristische Merkmale eines Th2 Phänotyps zeigten. Erhöhte Titer des Antikörperisotyps IgE in den Seren von CK2βTreg-/- Mäusen suggerieren zusätzlich eine fehlerhafte Suppression speziell Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs. In Th2-vermittelten Asthma Experimenten in vivo konnte der Verdacht der fehlerhaften Kontrolle von Th2-Antwort bestätigt werden, wobei zusätzlich aufgedeckt wurde, dass bereits unbehandelte CK2βTreg-/- Mäuse Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Lunge aufweisen. Bei der Suche nach den molekularen Ursachen der fehlerhaften Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs konnten zwei mögliche Erklärungsansätze gefunden werden. Zum einen zeigen CK2β-defiziente Tregs eine verringerte Expression von Foxp3, was, in Analogie zu Ergebnissen der Gruppe von R. Flavell (Wang Y.Y. Nature. 445, 766-770 (2007)), zu einer Konversion von Tregs zu Th2 Zellen und damit zur Entstehung eines Th2-basierten, autoimmunen Phänotyps führt. Des Weiteren weisen CK2β-defiziente Tregs eine reduzierte Expression des Transkriptionsfaktors IRF4 auf, der in Tregs entscheidend für die Kontrolle Th2-basierter Immunreaktionen ist (Zheng Y. Nature. 19; 351-356 (2009)). Die dargelegten Ergebnisse identifizieren die CK2 damit als Kinase, die entscheidend an der Treg-vermittelten Suppression speziell Th2-basierter Immunantworten beteiligt ist. Demnach könnten pharmakologische CK2 Inhibitoren beispielsweise dazu eingesetzt werden, um die Treg-vermittelte Suppression im Rahmen chronischer Parasiten-Infektionen aufzuheben. Die in CK2βTreg-/- Mäusen beobachtete Prävalenz der Funktion der CK2 für Mukosa-assoziierte Organe stellt dabei einen zusätzlichen Vorteil dar, weil systemische Nebenwirkungen, die durch die Blockade der Treg-vermittelte Suppression entstehen, zumindest in nicht-Mukosa-assoziierten Geweben nicht zu erwarten sind.rn

The roles of Smads and Pitx2 in cardiac development

The heart is the first organ to form in vertebrates during embryogenesis, and its circulatory function is essential to embryonic survival. Cardiac morphogenesis comprises a complex series of interactions involving cells from several embryonic origins. These cell-cell interactions are regulated temporally and spatially by programs of inductive signaling events, including BMP signaling transduced by Smads and left-right asymmetry signaling mediated by Pitx2. Disruptions of BMP signaling and left-right asymmetry signaling result in abnormal cardiac morphogenesis that causes congenital heart disease in humans. In this study, conventional and conditional gene targeting approaches were employed to dissect the functions of Smad8 and Smad1, intracellular BMP signaling transducers, and Pitx2, a direct target of left-right signaling, in cardiac development. We generated the Smad8mt mutant allele and the Smad8lacZ knock-in allele. Smad8 homozygous mutant mice were viable and fertile without obvious abnormalities. The Smad8lacZ knock-in allele showed that Smad8 was expressed in the myocardium of cardiac outflow tract and atrioventricular cushions. We did not find defects in these Smad8-expressing cardiac regions in Smad8mt/mt and Smad8lacZ/lacZ mutants, indicating that Smad8 is dispensable for cardiac development. Conditional knockout of Smad1 using the Nkx2.5Cre allele in cardiac mesoderm resulted in partial inactivation of Smad1 in the myocardium and complete deletion of Smad1 in the epicardium, and caused ventricular hypoplasia featured with a thinner compact zone, suggesting that Smad1 signaling in the epicardium is required for myocardial morphogenesis in ventricles. Previous data have shown that Pitx2 null mutants exhibit defects in the cardiac outflow tract, a region populated with cells from the cardiac mesoderm and the cardiac neural crest. We found that the cardiac neural crest normally populated into the outflow tract in Pitx2 null mutant. Moreover, specific deletion of Pitx2 in the neural crest resulted in normal heart formation. Deletion of Pitx2 in the cardiac mesoderm caused defective outflow tract, revealing that the function of Pitx2 in the cardiac outflow tract resides in splanchnic and branchial arch mesoderm, and is independent of cardiac neural crest cells. ^

The role of coactivator associated arginine methyltransferase 1 (CARM1) in nuclear receptor mediated transcription

Arginine methylation has been implicated in the regulation of gene expression. The coactivator-associated arginine methyltransferase 1 (CARMI/PRMT4) binds the p160 family of steroid receptor coactivators (SRCs). This association enhances transcriptional activation by nuclear receptors. Here, we generated and characterized CARM1 knockout mice. Embryos with a targeted disruption of CARM1 are 35% smaller in size than the wild-type littermates and die perinatally. We also generated Carm1-/- and Carm1+/+ mouse embryonic fibroblasts and tested gene expression in response to estrogen. Estrogenresponsive gene expression was aberrant in Carm1-/- fibroblasts and embryos, thus emphasizing the role of arginine methylation as a transcription activation tag. We subsequently studied the role of CARM1 in estrogen signaling in viva in the mammary gland. Conditional knockout of CARM1 in mammary gland and Carml-1-embryonic mammary anlagen transplant experiments did not show any defects in growth and development of the glands. To further dissect the role of CARM1 in estrogen receptor mediated transactivation, we performed cDNA microarray and serial analysis of gene expression on Carm1-/- and Carm1+/+ embryos treated with the estrogen analog, DES. Our results indicate global changes in estrogen regulated genes as well as genes involved in lipid homeostasis. Marker genes for Peroxisome Proliferator Activated Receptor γ (PPARγ) activity, adipsin and aP2, are downregulated in the Carm1-/- embryos. Furthermore, OCT frozen sections of 18.5dpc embryos, processed simultaneously for oil red O staining to look for neutral fat, reveals greatly reduced brown fat accumulation in the Carm1-/- embryos in contrast to wild-type and gain-of-function Carm1 transgenic (ubiquitous) embryo. We used a well-established 3T3-L1 preadipocyte cell line to knockdown CARM1 by short hairpin RNA. 3T3-L1 cells with CARM1 knockdown showed greatly reduced potential to differentiate into mature lipid accumulating adipocytes upon administration of adipogenic stimuli. Ligand-dependent activation of reporter genes by the PPARγ receptor showed that PPRE-luciferase reporter activity was enhanced in the presence of CARM1, additionally, luciferase activity was reduced to background levels when enzyme dead CARM1 (CARM1-VLD) was used. Thus, in this study, we have identified novel pathways that use CARM1 as coactivator and showed that CARM1 functions as a key component of PPARγ receptor mediated gene expression. ^

The role of STAT3 in the emergency neutrophil response

Neutrophils are an essential component of innate immunity, serving to provide an immediate response to microbial invasion. In response to emergency situations such as an infection, serum levels of granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) are induced, causing a boost in neutrophil production and a rapid mobilization of bone marrow neutrophils to the blood, where they can circulate to clear foreign pathogens. Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) is a principal downstream signaling intermediate of the G-CSF receptor. Mice null for STAT3 are embryonic lethal; therefore, to examine the role that STAT3 has in granulocytic development and function in vivo, we utilized a conditional knockout mouse that deletes functional STAT3 in the hematopoietic system (referred to herein as STAT3-deficient). Using this model, we show that STAT3 is required for G-CSF-induced expansion of granulocytic progenitor cells within the bone marrow and for acute G-CSF-dependent neutrophil mobilization into the blood. Thus, STAT3 has a critical role in the immediate G-CSF-response in vivo. Sustained G-CSF exposure causes skewed granulocytic production and mobilization in STAT3-deficient mice, suggesting an atypical granulocytic developmental pathway. To determine if STAT3-deficient neutrophils were functional, we examined neutrophil chemotaxis, since neutrophil function relies on proper chemoattractant-induced migration to infected tissue sites. STAT3-deficient neutrophils have impaired chemotaxis in response to the potent neutrophil chemoattractants MIP-2 and KC, both ligands for the chemokine receptor CXCR2. Additionally, STAT3-deficient mice have a defect in NIIP-2-induced acute neutrophil mobilization in vivo. Chemotaxis in response to fMLP and SDF-1, which utilize distinct seven-transmembrane chemokine receptors, was similar between wild type and STAT3-deficient neutrophils, suggesting that STAT3 specifically regulates CXCR2-mediated migration. MIP-2-induced activation of the Raf/MEK/ERK signaling cascade, which we show is required for MIP-2-dependent neutrophil chemotaxis, was impaired in STAT3-deficient neutrophils. Interestingly, acute G-CSF administration induced CXCR2 expression and Raf/MEK/ERK activation in neutrophils from wild type mice, whereas these responses were abrogated in neutrophils from STAT3-deficient mice. Thus, STAT3 regulation of CXCR2 functions may also contribute to STAT3's control of the acute G-CSF mobilization response. These combined results place STAT3 as a critical intermediate in neutrophil migration and G-CSF-induced neutrophil production responses required for emergency granulopoiesis. ^

The INO80 chromatin remodeling complex is involved in the nucleotide excision repair pathway

The genomic DNA of eukaryotic cells is well organized into chromatin structures. However, these repressed structures present barriers that block the access of regulatory factors to the genome during various nuclear events. To overcome the obstacle, two major cellular processes, post-modification of histone tails and ATP-dependent chromatin remodeling, are involved in reconfiguring chromatin structure and creating accessible DNA. Despite the current research progress, much remains to be explored concerning the relationship between chromatin remodeling and DNA repair. Recently, one member of the ATP-dependent chromatin remodeling complexes, INO80, has been found to play a crucial role in DNA damage repair. However, the functions of this complex in higher eukaryotes have yet to be determined. The goal of my study is to generate a human somatic INO80 conditional knockout model and investigate the functions of Ino80 in damage repair.^ By homologous targeting of the INO80 locus in human HCT116 colon epithelial cells, I established a human somatic INO80 conditional knockout model. I have demonstrated that the conditional INO80 cells exhibited a sufficiently viable period when the INO80 protein is removed. Moreover, I found that loss of INO80 resulted in deficient UV lesion repair in response to UV while the protein levels of the NER factors such as XPC, XPA, XPD were not affected. And in vitro repair synthesis assay showed that the NER incision and repair synthesis activities were intact in the absence of INO80. Examination on the damage recognition factor XPC showed its recruitment to damage sites was impaired in the INO80 mutant cells. Loss of INO80 also led to reduced enrichment of XPA at the site of UV lesions. Despite the reduced recruitment of XPC and XPA observed in INO80 mutants, no direct interaction was detected. Meanwhile, direct interaction between INO80 and DDB1, the initial UV lesion detector, was detected by coimmunoprecipitation. UV-induced chromosome relaxation was reduced in cells devoid of INO80. These results demonstrate the INO80 complex may participates in the NER by interacting with DDB1 and having a critical role of in creating DNA accessibility for the nucleotide excision pathway. ^

Coordination of murine limb muscle, skeleton and connective tissue development by Lmx1b

The underlying genetic defects of a congenital disease Nail-Patella Syndrome are loss-of-function mutations in the LMX1B gene. Lmx1b encodes a LIM-homeodomain transcription factor that is expressed specifically in the dorsal limb bud mesenchyme. Gain- and loss-of-function experiments suggest that Lmx1b is both necessary and sufficient to specify dorsal limb patterning. However, how Lmx1b coordinates patterning of the dorsal tissues in the limb, including muscle, skeleton and connective tissues, remains unknown. One possibility is that each tissue specifies its own pattern cell-autonomously, i.e., Lmx1b is expressed in tissues in which it functions and different tissues do not communicate with each other. Another possibility is that tissues that express Lmx1b interact with adjacent tissues and provide patterning information thereby directing the development of tissues non-cell-autonomously. Previous results showed that Lmx1b is expressed in limb connective tissue and skeleton, but is not expressed in muscle tissue. Moreover, muscles and muscle connective tissue are closely associated during development. Therefore, we hypothesize that Lmx1b controls limb muscle dorsal-ventral (DV) patterning through muscle connective tissue, but regulates skeleton and tendon/ligament development cell-autonomously. ^ To test this hypothesis, we first examined when and where the limb dorsal-ventral asymmetry is established during development. Subsequently, conditional knockout and overexpression experiments were performed to delete or activate Lmx1b in different tissues within the limb. Our results show that deletion of Lmx1b from whole limb mesenchyme results in all dorsal tissues, including muscle, tendon/ligament and skeleton, transforming into ventral structures. Skeleton-specific knockout of Lmx1b led to the dorsal duplication of distal sesamoid and metacarpal bones, but did not affect the pattern formation of other tissues, suggesting that Lmx1b controls skeleton development cell-autonomously. In addition, this skeleton-specific pattern alteration only occurs in distal limb tissues, not proximal limb tissues, indicating different regulatory mechanisms operate along the limb proximal-distal axis. Moreover, skeleton-specific ectopic expression of Lmx1b reveals a complementary skeletal-specific dorsalized phenotype. This result supports a cell-autonomous role for Lmx1b in dorsal-ventral skeletal patterning. This study enriched our understanding of limb development, and the insights from this research may also be applicable for the development of other organs. ^