Compensatory embryonic response to allele-specific inactivation of the murine X-linked gene Hcfc1.

Early in female mammalian embryonic development, cells randomly inactivate one of the two X chromosomes to achieve overall equal inactivation of parental X-linked alleles. Hcfc1 is a highly conserved X-linked mouse gene that encodes HCF-1 - a transcriptional co-regulator implicated in cell proliferation in tissue culture cells. By generating a Cre-recombinase inducible Hcfc1 knock-out (Hcfc1(lox)) allele in mice, we have probed the role of HCF-1 in actively proliferating embryonic cells and in cell-cycle re-entry of resting differentiated adult cells using a liver regeneration model. HCF-1 function is required for both extraembryonic and embryonic development. In heterozygous Hcfc1(lox/+) female embryos, however, embryonic epiblast-specific Cre-induced Hcfc1 deletion (creating an Hcfc1(epiKO) allele) around E5.5 is well tolerated; it leads to a mixture of HCF-1-positive and -negative epiblast cells owing to random X-chromosome inactivation of the wild-type or Hcfc1(epiKO) mutant allele. At E6.5 and E7.5, both HCF-1-positive and -negative epiblast cells proliferate, but gradually by E8.5, HCF-1-negative cells disappear owing to cell-cycle exit and apoptosis. Although generating a temporary developmental retardation, the loss of HCF-1-negative cells is tolerated, leading to viable heterozygous offspring with 100% skewed inactivation of the X-linked Hcfc1(epiKO) allele. In resting adult liver cells, the requirement for HCF-1 in cell proliferation was more evident as hepatocytes lacking HCF-1 fail to re-enter the cell cycle and thus to proliferate during liver regeneration. The survival of the heterozygous Hcfc1(epiKO/+) female embryos, even with half the cells genetically compromised, illustrates the developmental plasticity of the post-implantation mouse embryo - in this instance, permitting survival of females heterozygous for an X-linked embryonic lethal allele.

Leptin Targets in the Mouse Brain

The central actions of leptin are essential for homeostatic control of adipose tissue mass, glucose metabolism, and many autonomic and neuroendocrine systems. In the brain, leptin acts on numerous different cell types via the long-form leptin receptor (LepRb) to elicit its effects. The precise identification of leptin`s cellular targets is fundamental to understanding the mechanism of its pleiotropic central actions. We have systematically characterized LepRb distribution in the mouse brain using in situ hybridization in wildtype mice as well as by EYFP immunoreactivity in a novel LepRb-IRES-Cre EYFP reporter mouse line showing high levels of LepRb mRNA/EYFP coexpression. We found substantial LepRb mRNA and EYFP expression in hypothalamic and extrahypothalamic sites described before, including the dorsomedial nucleus of the hypothalamus, ventral premammillary nucleus, ventral tegmental area, parabrachial nucleus, and the dorsal vagal complex. Expression in insular cortex, lateral septal nucleus, medial preoptic area, rostral linear nucleus, and in the Edinger-Westphal nucleus was also observed and had been previously unreported. The LepRb-IRES-Cre reporter line was used to chemically characterize a population of leptin receptor-expressing neurons in the midbrain. Tyrosine hydroxylase and Cre reporter were found to be coexpressed in the ventral tegmental area and in other midbrain dopaminergic neurons. Lastly, the LepRbI-RES-Cre reporter line was used to map the extent of peripheral leptin sensing by central nervous system (CNS) LepRb neurons. Thus, we provide data supporting the use of the LepRb-IRES-Cre line for the assessment of the anatomic and functional characteristics of neurons expressing leptin receptor. J. Comp. Neurol. 514:518-532, 2009. (C) 2009 Wiley-Liss, Inc.

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.

The role of Interleukin-12 in liver inflammation

Chronic liver inflammation during viral hepatitis is a major health problem worldwide. The role of proinflammatory cytokines, like IL-12, in breaking hepatic immune tolerance, and inducing acute liver inflammation and virus clearance is not clear. Nor is clear its role in uncontrolled severe inflammatory response, leading to fulminant hepatitis and hepatic failure. This work, focused in the study of the role of endogenous produced IL-12 in inducing hepatic inflammatory responses, demonstrates: In vitro, using adenovirus coding for IL-12, that hepatocytes stimulate CD4+ T cells in a tolerogenic manner, and that endogenous IL-12 is able to switch the immune response into Th1; and in vivo, that endogenous IL-12 induces hepatocyte damage and virus elimination in mice infected with adenovirus. In addition, and in order to study in vivo the relevance of IL-12 in acute inflammation, conditional IL-12 transgenic mice expressing IL-12 in the liver after cre-recombinase mediated induction were generated. For this purpose, an IL-12 fusion protein was created, which demonstrated high levels of bioactivity. Induction of IL-12 expression during embryonic development was achieved by crossbreeding with Act-Cre transgenic mice; induction of IL-12 expression in adult mice was achieved by a plasmid coding for the cre-recombinase. This study demonstrates that after induction, IL-12 is expressed in the liver of the transgenic mice. It also demonstrates that hepatic expression of IL-12 induces splenomegaly and liver inflammation, characterized by large infiltrations in portal tracts and veins, associated with hepatic damage, necrosis areas and lethality. Furthermore, constitutive hepatic IL-12 expression does not lead to abortion, but to total lethality, short after delivery. In conclusion, in this study, a transgenic mouse model has been generated, in which the expression of active IL-12 in the liver can be induced at any time; this model will be very helpful for studying hepatic pathologies. This study has also demonstrated that hepatic produced IL-12 is able of breaking liver tolerance inducing inflammation, virus elimination, severe hepatocyte damage, and lethality. These findings suggest IL-12 as a key cytokine in acute liver inflammation and fulminant hepatic failure. 5.1 Future studies Once the importance of IL-12 in inducing hepatic inflammation and virus elimination was demonstrated in this study, understanding the mechanisms of the IL-12 induced liver damage, and more important, how to avoid it will be the main focus in the future. It is very important to achieve hepatic inflammation for a more effective and faster viral elimination, but avoiding the toxicity of IL-12, which leads to massive liver injury and lethality is obviously necessary to allow IL-12 as therapy. For that purpose, future studies will be mainly base on three different points: 1. The determination of different cell populations present in the hepatic infiltration, which of them are responsible for liver injury, and as well their state of activation. 2. The measure of other pro- and anti-inflammatory cytokines and chemokines, which can play a role in IL-12-induced liver inflammation and hepatocyte damage. For these purposes, specific blocking antibodies (anti TNF-alpha, anti IL-12, anti IFN-g) will be used. The study with different transgenic mice: TNF-alpha Receptor knockout, TGF-b, will also help in determining the role of those cytokines during IL-12-induced liver damage and lethality. 3. The establishing of liver pathology models (viral infection, tumours, auto-antigens) in mice. Induction of IL-12 at any time of the pathology development will help in clarifying the role of IL-12 in those models. Finally, the transgenic mice expressing IL-23 in the liver will be generated.

Analyse der konditionell-induzierten Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben der adulten Maus

Smad7 ist eine inhibitorische Komponente der TGF-β- bzw. Activin-Signalweiterleitung und erfüllt eine wichtige Aufgabe bei deren Regulation. So führt eine konstitutive Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben zum Auftreten verschiedener Phänotypen, wie embryonaler bzw. perinataler Letalität, Hyperproliferation der Epidermis und Thymusatrophie. Auch die Entwicklung der T-Zellen im Thymus und epithelialer Anhangsgebilde wie z.B. von Haaren und Zähnen wird dadurch beeinträchtigt. In dieser Arbeit sollte nun in der adulten Maus der Effekt einer Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde ein, auf dem Cre/loxP-Prinzip beruhendes Transgensystem verwendet (K5-Smad7-tg und K14-creERT2), welches eine konditionell-induzierte Überexpression von Smad7 in epithelialen Zellen der adulten Maus erlaubte. Die so gezüchteten doppeltransgenen Tiere wiesen keine signifikanten Veränderungen gegenüber ihren wildtyp bzw. einfachtransgenen Geschwistertieren auf. Die Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben der adulten Maus zu einem Auftreten verschiedenster veränderter Phänotypen der Haut und deren Anhänge, sowie der Schneidezähne. Bei diesen Tieren konnte auch ein signifikanter Körpergewichtsverlust und eine Erhöhung der Mortalitätsrate beobachtet werden, welche sich im Verlauf nach erfolgter Rekombination einstellte. Weitere Analysen zeigten signifikante Veränderungen in der Haut und im Thymus. So konnte in der Haut eine Erhöhung der Proliferationsrate epidermaler Zellen, eine reduzierte Expression von Smad3 und im Thymus Veränderungen in der Gesamtzahl der lebenden T-Zellen und deren Differenzierung beobachtete werden. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Hemmung der Signalweiterleitung der TGF-β-Superfamilie, speziell von TGF-β und Activin, zu verschiedenen morphogenetischen Defekten der Haut und deren Anhänge, der Zähne und der T-Zellentwicklung im Thymus führt.

Conditional and transgenic mouse models as tools to study the role of TGFbeta, BMP signaling in skeletal development

Die TGFbeta/BMP Signaltransduktionskaskade ist wichtig für viele Entwicklungsprozesse fast aller embryonaler sowie extraembryonaler Gewebe und sie ist ebenso essentiell bei der Aufrechterhaltung der Homöostase im adulten Organismus. In vielen Mausmodellen und Zellkulturversuchen wurde gezeigt, dass Liganden dieses Signalweges in verschiedene Stadien der Knorpel- und Knochenentwicklung involviert sind. BMPs sind beispielsweise maßgeblich an der frühen Kondensation und Bildung des Knorpels und später an Proliferation und Hypertrophie der Chondrozyten beteiligt. BMPs können ektopisch Knochenbildung auslösen und das Expressionsmuster der Liganden und spezifischen Rezeptoren in der Wachstumsfuge lässt auf eine wichtige Rolle der BMPs in der Wachstumsfuge schließen. Der gezielte knock out der BMP-Rezeptoren Bmpr1a und Bmpr1b in proliferierenden Chondrozyten führt zur Ausbildung einer generellen Chondrodysplasie. Smad1, Smad5 und Smad8 sind die Mediatoren der BMP-Signalkaskade. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Rolle und Funktion der Smad1- und Smad5-Proteine in der Wachstumsfuge untersucht werden. Hierzu wurden konditionale Smad1-knock out-Mäuse mit einer transgenen Mauslinie gekreuzt, die die Cre-Rekombinase spezifisch in proliferierenden Chondrozyten exprimiert. Diese Mäuse wurden mit und ohne heterozygotem Smad5-Hintergrund charakterisiert. Bei einem knock out von Smad1 allein konnte ein leichte Verkürzung der Wachstumsfuge beobachtet werden, wobei prähypertrophe und hypertrophe Zone gleichermaßen betroffen waren. Dieser Phänotyp war verstärkt in Mäusen mit zusätzlichem heterozygotem Smad5-Hintergrund. Eine Verringerung der Proliferationsrate konnte zusammen mit einer verminderten Ihh-Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte anhand von Röntgenaufnahmen eine Dysorganisation der nasalen Region und ein fehlendes nasales Septum beobachtet werden. Produktion und Mineralisation der extrazellulären Matrix waren nicht beeinträchtigt. Um die Rolle der BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden während der endochondralen Ossifikation zu vergleichen, wurden transgene Mäuse generiert, in denen die TGFbeta-Signalkaskade spezifisch in proliferierenden Chondrozyten gestört war. Zwei Mauslinien, die ähnliche Phänotypen zeigten, wurden untersucht. Esl1 ist ein TGFbeta-bindendes Protein, von dem man annimmt, dass es die TGFbeta-Signalkaskade inhibieren kann. Esl1-knock out-Mäuse sind kleiner als Wildtypmäuse und die Überexpression von Esl1 in proliferierenden Chondrozyten führt zu einer Verlängerung der Wachstumsfuge und einer verstärkten Proliferationsrate. Knorpelmarker, wie Col2a1 und Sox9 sind in diesen Mäusen herunterreguliert, während Col10a1 und Ihh als Marker für die hypertrophe und prähypertrophe Zone herunterreguliert waren. Dies führt zu der Annahme, dass mehr Zellen in die terminale Differenzierung eintreten. Bei transgenen Mäusen, in denen ein dominant-negativer (dn) TGFbeta-Rezeptor in proliferierenden Chondrozyten überexprimiert wurde, konnte eine verlängerte prähypertrophe Zone, eine erhöhte Ihh-Expression, sowie eine verstärkte Proliferationsrate beobachtet werden. Zusätzlich konnte in homozygoten Tieren ein craniofacialer Phänotyp beschrieben werden, der zu Problemen bei der Nahrungsaufnahme und damit zu einer starken Wachstumsbeeinträchtigung führte. Die BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden haben möglicherweise antagonistische Effekte in der Wachstumsfuge. Während der Ausfall von BMP in proliferierenden Chondrozyten aufgrund einer gesunkenen Proliferationsrate zu einer Verkürzung der Wachstumsfuge führte, kann man in Mäusen mit einer Störung der TGFbeta-Signalkaskade eine verstärkte Proliferation in einer daher verlängerten Wachstumsfuge beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Generation einer transgenen Mauslinie, die die Cre-Rekombinase spezifisch in hypertrophen Chondrozyten exprimiert. Promoterstudien mit transgenen Mäusen weisen darauf hin, dass ein putatives AP1-Element, etwa 4 kb vor dem ersten Exon des Col10a1 gelegen, wichtig für die spezifische Expression in hypertrophen Chondrozyten ist. Ein Konstrukt, dass vier Kopien dieses Elements und den basalen Promoter enthält, wurde benutzt, um die Cre-Rekombinase spezifisch zu exprimieren. Diese Mauslinie befindet sich in der Testphase und erste Daten deuten auf eine spezifische Expression der Cre-Rekombinase in hypertrophen Chondrozyten hin.

Konditionale Mutagenese von Desmoglein 2 in der Maus

Desmosomen sind hoch organisierte interzelluläre Verbindungen, die Zellverbänden eine mechanische Stabilität verleihen. Die Intermediärfilamentnetzwerke benachbarter Zellen werden mit Hilfe der desmosomalen Cadherine vom Desmoglein- und Desmocollin-Typ miteinander verknüpft. Diese Glykoproteine interagieren miteinander im Interzellularspalt zwischen benachbarten Zellen und stellen mit ihren zytoplasmatischen Domänen einen Ankerpunkt für desmosomale Brückenproteine dar, an welche wiederum die Proteine des Intermediärfilament-Zytoskeletts binden. Bei der Maus spielt das desmosomale Cadherin Desmoglein 2 (DSG2) bereits in frühen Stadien der Embryogenese eine entscheidende Rolle. Homozygote DSG2-Knockout-Mäuse sterben bereits vor der Implantation des Embryos ab. Im adulten Tier ist Dsg2 die am weitesten verbreitete Isoform, in Darm, Leber und Herzmuskel wird es zudem exklusiv exprimiert. Ziel dieser Arbeit war es, die Bedeutung von Dsg2 in differenzierten Gewebeverbänden adulter Tiere zu untersuchen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden mehrere transgene Mauslinien hergestellt, in denen mit Hilfe des Cre/loxP-Systems eine Deletion im DSG2-Gen konditional und gewebsspezifisch induziert werden konnte. Dazu wurden zuerst zwei loxP-Sequenzen und eine mit zwei FRT-Stellen flankierte Neomyzinresistenzgen-Kassette in das DSG2-Gen von embryonalen Stammzellen durch homologe Rekombination eines Targeting-Konstrukts inseriert. Diese Zellen wurden in Blastozysten injiziert und Mauslinien hergestellt. Mit Hilfe der Flpe-Rekombinase wurde anschließend die Resistenzenzgen-Kassette entfernt. Diese Stämme wurden mit Mäusen verpaart, die eine induzierbare und gewebsspezifische Synthese der Cre-Rekombinase ermöglichen. Im Darmepithel und der Leber konnte eine gewebsspezifische Rekombination des DSG2-Gens induziert werden. Untersuchungen der DSG2-mRNA zeigten, dass die DSG2-Rekombination in der Darmschleimhaut nahezu vollständig erfolgte. Immunfluoreszenz-Analysen an Gewebsfragmenten induzierter Tiere mit Isotyp-spezifischen Antikörpern, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt worden waren, zeigten jedoch keine signifikanten Unterschiede der Desmosomenzahl und -verteilung. Daher wurden eGFP-Hybride des zu erwartenden mutierten Dsg2-Proteins in Zellen exprimiert und mit wildtypischem Dsg2 verglichen. Es konnte hinsichtlich der Verteilung und Morphologie der Desmosomen keine Unterschiede zwischen beiden Dsg2-Proteinen festgestellt werden. Der Dsg2-Mutante fehlen wichtige Proteinbereiche, die für die trans-Interaktion der extrazellulären Domäne verantwortlich sind, die Haupt-N-Glykosylierungsstelle, sowie eine der insgesamt vier Kalzium-Bindestellen. Dies sind Eigenschaften, von denen man bisher annahm, dass sie eine zentrale Bedeutung für die desmosomale Adhäsion besitzen. Weitere Experimente werden zeigen, inwieweit die hergestellte Dsg2-Mutante in „Stresssituationen“, wie sie z.B. bei Regenerationsvorgängen oder der Tumorgenese auftreten, zu veränderten adhäsiven Eigenschaften führt.

Oligodendroglial exosomes in glia to neuron signaling

In the CNS, myelinating oligodendrocytes and axons form a functional unit based on intimate cell-cell interactions. In addition to axonal insulation serving to increase the conduction velocity of electrical impulses, oligodendrocytes provide trophic support to neurons essential for the long-term functional integrity of axons. The glial signals maintaining axonal functions are just at the beginning to become uncovered. Yet, their determination is highly relevant for all types of demyelinating diseases, where lack of glial support significantly contributes to pathology. rnThe present PhD thesis uncovers exosomes as a novel signaling entity in the CNS by which cargo can be transferred from oligodendrocytes to neurons. Exosomes are small membranous vesicles of endocytic origin, which are released by almost every cell type and have been implicated in intercellular communication. Oligodendrocytes secrete exosomes containing a distinct set of proteins as well as mRNA and microRNA. Intriguingly, oligodendroglial exosome release is stimulated by the neurotransmitter glutamate indicating that neuronal electrical activity controls glial exosome release. In this study, the role of exosomes in neuron-glia communication and their implications on glial support was examined. Cortical neurons internalized and accumulated oligodendroglial exosomes in the neuronal cell soma in a time-dependent manner. Moreover, uptake occurred likewise at the somatodendritic and axonal compartment of the neurons via dynamin and clathrin dependent endocytosis. Intriguingly, neuronal internalization of exosomes resulted in functional retrieval of exosomal cargo in vitro and in vivo upon stereotactic injection of Cre recombinase bearing exosomes. Functional recovery of Cre recombinase from transferred exosomes was indicated by acquired reporter recombination in the target cell. Electrophysiological analysis showed an increased firing rate in neurons exposed to oligodendroglial exosomes. Moreover, microarray analysis revealed differentially expressed genes after exosome treatment, indicating functional implications on neuronal gene expression and activity. rnTaken together, the results of this PhD thesis represent a proof of principle for exosome transmission from oligodendrocytes to neurons suggesting a new route of horizontal transfer in the CNS.rn

Die Rolle der Topoisomerase 2 beta in der normalen Herzfunktion sowie in der Entstehung der Herzinsuffizienz

Die Herzinsuffizienz (HI) ist eine der häufigsten und teuersten medizinischen Indikationen in der heutigen Zeit. rnIn der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal die Topoisomerase 2b (Top2b) in Zusammenhang mit der Entstehung einer dilatativen Kardiomyopathie gebracht werden. rnIn einem speziellen Mausmodell war es möglich, die Top2b gewebsspezifisch und zeitspezifisch nur in Kardiomyozyten zu deletieren. Dies geschah mittels eines Tamoxifen-induzierten Cre-Rekombinase-Gendeletionsmodells. Phänotypisch zeigten die Top2b-deletierten Mäuse 8 Wochen nach der Tamoxifen-Gabe signifikant reduzierte kardiale Ejektionsfraktionen sowie erhöhte linksventrikuläre enddiastolische und endsystolische Volumina. Weder Schlagvolumen noch Körpergewicht waren verändert. Die natriuretischen Peptide ANP und BNP waren in den Top2b-deletierten Tieren ebenfalls signifikant erhöht. Zusätzlich zeigten sowohl elektronenmikroskopische Untersuchungen als auch klassische histologische Verfahren fibrotische Veränderungen und erhöhte Kollagenablagerungen in Top2b-deletierten Tieren. Begleitend dazu stiegen die mRNA-Expressionslevel von Col1a1, Col3a1, Tgfβ1 und Tgfβ2 in den deletierten Tieren 8 Wochen nach der Implementierung der Deletion signifikant an. rnIn einer genomweiten Hochdurchsatz-Sequenzierung waren bereits 2 Wochen nach Tamoxifen-Gabe 128 Gene mindestens 2-fach gegenüber der Kontrollgruppe differentiell exprimiert. Eine genauere Analyse der veränderten Genexpression ließ bereits 14 Tage nach Implementierung der Deletion kardiale Verschlechterungen vermuten. So waren neben dem atrialen natriuretischen Peptid ANP die beiden häufigsten Kollagenarten im Herzen, Col3a1 und Col1a1, hochreguliert. rnInteressanterweise beinhalteten die 37 herunterregulierten Gene 11 Transkriptionsfaktoren. Da der Top2b in den letzten Jahren eine immer stärker werdende Bedeutung in der Transkription zugesprochen wird, sollte mittels Chromatin-Immunpräzipitation ein direkter Zusammenhang zwischen der Top2b-Deletion und der Herunterregulierung der 11 Transkriptionsfaktoren sowie die Bindung der Top2b an Promotoren ausgewählter, differentiell-exprimierter Gene untersucht werden. Generell konnte keine vermehrte Bindung von Top2b an Promotorbereiche gezeigt werden, was aber nicht dem generellen Fehlen einer Bindung gleichkommen muss. Vielmehr gab es methodische Schwierigkeiten, weshalb die Bedeutung der Top2b in der Transkription im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht ausreichend geklärt werden konnte.rnEine Kardiomyozyten-spezifische Top2b-Deletion mündete 8 Wochen nach Tamoxifen-Gabe in eine dilatative Kardiomyopathie. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind keine klaren Aussagen zum zugrundeliegenden Mechanismus der entstehenden Herzschädigung in Folge einer Top2b-Deletion zu treffen. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass der Tumorsuppressormarker p53 eine wichtige Rolle in der Entstehung der dilatativen Kardiomyopathie spielen könnte. So konnte 8 Wochen nach der Top2b-Deletion mittels Chromatin-Immunpräzipitation eine erhöhte Bindung von p53 an Promotorregionen von Col1a1, Tgfβ2 und Mmp2 detektiert werden. Die Bedeutung dieser Bindung, und ob aufgrund dessen die Entstehung der Fibrose erklärt werden könnte, ist zum jetzigen Zeitpunkt unklar.rn

Endothelium-specific replacement of the connexin43 coding region by a lacZ reporter gene

The murine gap junction protein connexin43 (Cx43) is expressed in blood vessels, with vastly different contribution by endothelial and smooth muscle cells. We have used the Cre recombinase under control of TIE2 transcriptional elements to inactivate a floxed Cx43 gene specifically in endothelial cells. Cre-mediated deletion led to replacement of the Cx43 coding region by a lacZ reporter gene. This allowed us to monitor the extent of deletion and to visualize the endothelial expression pattern of Cx43. We found widespread endothelial expression of the Cx43 gene during embryonic development, which became restricted largely to capillaries and small vessels in all adult organs examined. Mice lacking Cx43 in endothelium did not exhibit altered blood pressure, in contrast to mice deficient in Cx40. Our results show that lacZ activation after deletion of the target gene allows us to determine the extent of cell type-specific deletion after phenotypical investigation of the same animal.

ELUCIDATING FUNCTIONAL ROLES FOR MYOGENIN IN ADULT SKELETAL MUSCLE METABOLISM, EXERCISE CAPACITY, AND REGENERATION

The four basic helix-loop-helix myogenic transcription factors, myogenin, Myf5, MRF4, and MyoD are critical for embryonic skeletal muscle development. Myogenin is necessary for the terminal differentiation of myoblasts into myofibers during embryogenesis, but little is known about the roles played by myogenin in adult skeletal muscle function and metabolism. Furthermore, while metabolism is a well-studied physiological process, how it is regulated at the transcriptional level remains poorly understood. In this study, my aim was to determine the function of myogenin in adult skeletal muscle metabolism, exercise capacity, and regeneration. To investigate this, I utilized a mouse strain harboring the Myogflox allele and a Cre recombinase transgene, enabling the efficient deletion of myogenin in the adult mouse. Myogflox/flox mice were stressed physically through involuntary treadmill running and by breeding them with a strain harboring the Duchenne’s muscular dystrophy (DMDmdx) allele. Surprisingly, Myog-deleted animals exhibited an enhanced capacity for exercise, running farther and faster than their wild-type counterparts. Increased lactate production and utilization of glucose as a fuel source indicated that Myog-deleted animals exhibited an increased glycolytic flux. Hypoglycemic Myog-deleted mice no longer possessed the ability to outrun their wild-type counterparts, implying the ability of these animals to further deplete their glucose reserves confers their enhanced exercise capacity. Moreover, Myog-deleted mice exhibited an enhanced response to long-term exercise training. The mice developed a greater proportion of type 1 oxidative muscle fibers, and displayed increased levels of succinate dehydrogenase activity, indicative of increased oxidative metabolism. Mdx:Myog-deleted mice exhibited a similar phenotype, outperforming their mdx counterparts, although lagging behind wild-type animals. The morphology of muscle tissue from mdx:Myog-deleted mice appears to mimic that of mdx animals, indicating that myogenin is dispensable for adult skeletal muscle regeneration. Through global gene expression profiling and quantitative (q)RT-PCR, I identified a unique set of putative myogenin-dependent genes involved in regulating metabolic processes. These data suggest myogenin’s functions during adulthood are distinctly different than those during embryogenesis, and myogenin acts as a high-level transcription factor regulating metabolic activity in adult skeletal muscle.

Postnatal Notch1 activation induces T‑cell malignancy in conditional and inducible mouse models

The Notch1 signaling pathway is essential for hematopoietic development. However, the effects of postnatal activation of Notch1 signaling on hematopoietic system is not yet fully understood. We previously generated ZEG‑IC‑Notch1 transgenic mice that have a floxed β‑geo/stop signal between a CMV promoter and intracellular domain of Notch1 (IC‑Notch1). Constitutively active IC‑Notch1 is silent until the introduction of Cre recombinase. In this study, endothelial/hematopoietic specific expression of IC‑Notch1 in double transgenic ZEG‑IC‑Notch1/Tie2‑Cre embryos induced embryonic lethality at E9.5 with defects in vascular system but not in hematopoietic system. Inducible IC‑Notch1 expression in adult mice was achieved by using tetracycline regulated Cre system. The ZEG‑IC‑Notch1/Tie2‑tTA/tet‑O‑Cre triple transgenic mice survived embryonic development when maintained on tetracycline. Post‑natal withdrawal of tetracycline induced expression of IC‑Notch1 transgene in hematopoietic cells of adult mice. The triple transgenic mice displayed extensive T‑cell infiltration in multiple organs and T‑cell malignancy of lymph nodes. In addition, the protein levels of p53 and alternative reading frame (ARF) were decreased in lymphoma‑like neoplasms from the triple transgenic mice while their mRNA expression remained unchanged, suggesting that IC‑Notch1 might repress ARF‑p53 pathway by a post‑transcriptional mechanism. This study demonstrated that activation of constitutive Notch1 signaling after embryonic development alters adult hematopoiesis and induces T‑cell malignancy.

Constitutive notch signaling in adult transgenic mice inhibits bFGF-induced angiogenesis and blocks ovarian follicle development

Notch signaling is important in angiogenesis during embryonic development. However, the embryonic lethal phenotypes of knock-out and transgenic mice have precluded studies of the role of Notch post-natally. To develop a mouse model that would bypass the embryonic lethal phenotype and investigate the possible role of Notch signaling in adult vessel growth, we developed transgenic mice with Cre-conditional expression of the constitutively active intracellular domain of Notch1 (IC-Notch1). Double transgenic IC-Notch1/Tie2-Cre embryos with endothelial specific IC-Notch1 expression died at embryonic day 9.5. They displayed collapsed and leaky blood vessels and defects in angiogenesis development. A tetracycline-inducible system was used to express Cre recombinase postnatally in endothelial cells. In adult mice, IC-Notch1 expression inhibited bFGF-induced neovascularization and female mice lacked mature ovarian follicles, which may reflect the block in bFGF-induced angiogenesis required for follicle growth. Our results demonstrate that Notch signaling is important for both embryonic and adult angiogenesis and indicate that the Notch signaling pathway may be a useful target for angiogenic therapies.

The generation of neutrophils in the bone marrow is controlled by autophagy.

Autophagy has been demonstrated to have an essential function in several cellular hematopoietic differentiation processes, for example, the differentiation of reticulocytes. To investigate the role of autophagy in neutrophil granulopoiesis, we studied neutrophils lacking autophagy-related (Atg) 5, a gene encoding a protein essential for autophagosome formation. Using Cre-recombinase mediated gene deletion, Atg5-deficient neutrophils showed no evidence of abnormalities in morphology, granule protein content, apoptosis regulation, migration, or effector functions. In such mice, however, we observed an increased proliferation rate in the neutrophil precursor cells of the bone marrow as well as an accelerated process of neutrophil differentiation, resulting in an accumulation of mature neutrophils in the bone marrow, blood, spleen, and lymph nodes. To directly study the role of autophagy in neutrophils, we employed an in vitro model of differentiating neutrophils that allowed modulating the levels of ATG5 expression, or, alternatively, intervening pharmacologically with autophagy-regulating drugs. We could show that autophagic activity correlated inversely with the rate of neutrophil differentiation. Moreover, pharmacological inhibition of p38 MAPK or mTORC1 induced autophagy in neutrophilic precursor cells and blocked their differentiation, suggesting that autophagy is negatively controlled by the p38 MAPK-mTORC1 signaling pathway. On the other hand, we obtained no evidence for an involvement of the PI3K-AKT or ERK1/2 signaling pathways in the regulation of neutrophil differentiation. Taken together, these findings show that, in contrast to erythropoiesis, autophagy is not essential for neutrophil granulopoiesis, having instead a negative impact on the generation of neutrophils. Thus, autophagy and differentiation exhibit a reciprocal regulation by the p38-mTORC1 axis.

Analysis of BMP signalling through the receptor type IA in embryogenesis using conditional gene inactivation in mice

Although bone morphogenetic proteins (BMPs) were initially identified for their potent bone-inducing activity, their precise roles in processes of endochondral and intramembranous bone formation are far from being clear. Tissue-specific loss-of-function experiments using the BMP receptor type IA (BMPR-IA) are particularly attractive since this receptor is thought to be essential for signaling by the closely related BMPs -2, 4, and 7. To ablate signaling through this receptor during chondrogenesis, we have generated transgenic mice expressing Cre recombinase under the control of the collagen type II (Col2a1) gene regulatory sequences. Mice lacking BMPR-IA function in chondrocytes display a number of skeletal abnormalities, including defects in bones of the chondrocranium, abnormal dorsal vertebral processes, scapulae with severe hypoplasia of dorsal elements, and shortening of the long bones. Alterations in the growth plate of long bones in mutants suggest that BMPR-IA is not required for early steps of the chondrocyte specification, but is rather important in regulation of terminal differentiation. Molecular analysis revealed noticeable downregulation of the Ihh/Ptch signalling pathway, decreased chondrocyte proliferation rate and deregulation of hypertrophy. ^ In order to elucidate the role of BMP signalling in development of the limb and intramembranous ossification, we have used mice expressing Cre recombinase under control of the Prx1 (MHox) regulatory elements (M. Logan, pers comm.). Cre activity was found in those mice in the developing limb bud mesenchyme, as well as in a subset of cranial neural crest cells. Prx1-Cre-induced conditional mutants display prominent defects in distal limb outgrowth, as well as ossification defects in a number of neural crest-derived calvarial bones. Intriguingly, mutant limbs displayed alterations in patterning along all three axes. Molecular analysis revealed ectopic anterior Shh/Ptch signalling pathway activation and expression of some Hox genes. Observed loss of Msx1 and Msx2 expression in the progress zone correlates with downregulation of Cyclin D1 and decreased distal outgrowth. Abnormal ventral localization of Lmx1b-expressing cells along with observed later morphological abnormalities suggest a novel role for BMP signalling in establishment or maintaining of the dorso-ventral polarity in the limb mesoderm. ^