Research programs of the National Institute of Child Health and Human Development /

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Genetics and teratology : research programs of the National Institute of Child Health and Human Development.

"Prepared by the Genetics and Teratology Section of the Clinical Nutrition and Early Development Branch for presentation to the National Advisory Child Health and Human Development Council, May 1980"--P. 2 of cover.

Pregnancy and perinatology ; research programs of the National Institute of Child Health and Human Development /

Cover title.

Role of the Protein Tyrosine Kinase 7 gene in human neural tube defects

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des anomalies développementales où le tube neural reste ouvert (1-2/1000 naissances). Afin de prévenir cette maladie, une connaissance accrue des processus moléculaires est nécessaire. L’étiologie des ATN est complexe et implique des facteurs génétiques et environnementaux. La supplémentation en acide folique est reconnue pour diminuer les risques de développer une ATN de 50-70% et cette diminution varie en fonction du début de la supplémentation et de l’origine démographique. Les gènes impliqués dans les ATN sont largement inconnus. Les études génétiques sur les ATN chez l’humain se sont concentrées sur les gènes de la voie métabolique des folates du à leur rôle protecteur dans les ATN et les gènes candidats inférés des souris modèles. Ces derniers ont montré une forte association entre la voie non-canonique Wnt/polarité cellulaire planaire (PCP) et les ATN. Le gène Protein Tyrosine Kinase 7 est un membre de cette voie qui cause l’ATN sévère de la craniorachischisis chez les souris mutantes. Ptk7 interagit génétiquement avec Vangl2 (un autre gène de la voie PCP), où les doubles hétérozygotes montrent une spina bifida. Ces données font de PTK7 comme un excellent candidat pour les ATN chez l’humain. Nous avons re-séquencé la région codante et les jonctions intron-exon de ce gène dans une cohorte de 473 patients atteints de plusieurs types d’ATN. Nous avons identifié 6 mutations rares (fréquence allélique <1%) faux-sens présentes chez 1.1% de notre cohorte, dont 3 sont absentes dans les bases de données publiques. Une variante, p.Gly348Ser, a agi comme un allèle hypermorphique lorsqu'elle est surexprimée dans le modèle de poisson zèbre. Nos résultats impliquent la mutation de PTK7 comme un facteur de risque pour les ATN et supporte l'idée d'un rôle pathogène de la signalisation PCP dans ces malformations.

Involvement of heparin-like glycosaminoglycans and expression of a novel heparan sulfate binding protein (p24) during human placentation and in a model for human implantation

Previous studies in our laboratory have indicated that heparan sulfate proteoglycans (HSPGs) play an important role in murine embryo implantation. To investigate the potential function of HSPGs in human implantation, two human cell lines (RL95 and JAR) were selected to model uterine epithelium and embryonal trophectoderm, respectively. A heterologous cell-cell adhesion assay showed that initial binding between JAR and RL95 cells is mediated by cell surface glycosaminoglycans (GAG) with heparin-like properties, i.e., heparan sulfate and dermatan sulfate. Furthermore, a single class of highly specific, protease-sensitive heparin/heparan sulfate binding sites exist on the surface of RL95 cells. Three heparin binding, tryptic peptide fragments were isolated from RL95 cell surfaces and their amino termini partially sequenced. Reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) generated 1 to 4 PCR products per tryptic peptide. Northern blot analysis of RNA from RL95 cells using one of these RT-PCR products identified a 1.2 Kb mRNA species (p24). The amino acid sequence predicted from the cDNA sequence contains a putative heparin-binding domain. A synthetic peptide representing this putative heparin binding domain was used to generate a rabbit polyclonal antibody (anti-p24). Indirect immunofluorescence studies on RL95 and JAR cells as well as binding studies of anti-p24 to intact RL95 cells demonstrate that p24 is distributed on the cell surface. Western blots of RL95 membrane preparations identify a 24 kDa protein (p24) highly enriched in the 100,000 g pellet plasma membrane-enriched fraction. p24 eluted from membranes with 0.8 M NaCl, but not 0.6 M NaCl, suggesting that it is a peripheral membrane component. Solubilized p24 binds heparin by heparin affinity chromatography and $\sp{125}$I-heparin binding assays. Furthermore, indirect immunofluorescence studies indicate that cytotrophoblast of floating and attached villi of the human fetal-maternal interface are recognized by anti-p24. The study also indicates that the HSPG, perlecan, accumulates where chorionic villi are attached to uterine stroma and where p24-expressing cytotrophoblast penetrate the stroma. Collectively, these data indicate that p24 is a cell surface membrane-associated heparin/heparan sulfate binding protein found in cytotrophoblast, but not many other cell types of the fetal-maternal interface. Furthermore, p24 colocalizes with HSPGs in regions of cytotrophoblast invasion. These observations are consistent with a role for HSPGs and HSPG binding proteins in human trophoblast-uterine cell interactions. ^

Regulation and function of {\it Xparaxis\/} during the development of paraxial mesoderm in {\it Xenopus laevis\/}

Genes of the basic helix-loop-helix transcription factor family have been implicated in many different developmental processes from neurogenesis to myogenesis. The recently cloned bHLH transcription factor, paraxis, has been found to be expressed in the paraxial mesoderm of the mouse suggesting a role for paraxis in the development of this mesodermal subtype which gives rise to the axial muscle, skeleton, and dermis of the embryo. In order to perform in vivo gain of function assays and obtain a better understanding of the possible roles of paraxis in mesodermal and somitic development, we have successfully identified homologues of paraxis in the frog, Xenopus laevis, where the process of mesodermal induction and development is best understood. The two homologues, Xparaxis-a and Xparaxis-b, are conserved with respect to their murine homologue in structure and expression within the embryo. Xparaxis genes are expressed immediately after gastrulation in the paraxial mesoderm of Xenopus embryos and are down regulated in the myotome of the mature somite with continued expression in the undifferentiated dermatome. Overexpression of Xparaxis-b in Xenopus embryos caused defects in the organization and morphology of the somites. This effect was not dependent on DNA binding of Xparaxis but is likely due to its dimerization with other bHLH factors. Co-injections with XE12 did not diminish the effects indicating that the defects were not the result of limiting amounts of XE12. We also demonstrated that Xparaxis does not cause obvious defects in the cell adhesions and movements required for proper mesoderm patterning during gastrulation. The paraxis proteins also lacked the ability to activate transcription as GAL4 fusion proteins in a GAL4 reporter assay, indicating that the genes may function more as modulators of the activity of dimerization partners than as positively acting cell determination factors. In agreement with this, Xparaxis is regulated in response to other pathways of bHLH gene action, in that XE12 can activate Xparaxis-b, in vivo. In addition we show regulation of Xparaxis in response to mMyoD induced myogenesis pathways, again suggesting Xparaxis plays an important role in the patterning and organization of the paraxial mesoderm. ^

Development and testing of a procedure for systematically assigning gestational age for clinical and research use

A graphing method was developed and tested to estimate gestational ages pre-and postnatally in a consistent manner for epidemiological research and clinical purposes on feti/infants of women with few consistent prenatal estimators of gestational age. Each patient's available data was plotted on a single page graph to give a comprehensive overview of that patient. A hierarchical classification of gestational age determination was then applied in a systematic manner, and reasonable gestational age estimates were produced. The method was tested for validity and reliability on 50 women who had known dates for their last menstrual period or dates of conception, and multiple ultrasound examinations and other gestational age estimating measures. The feasibility of the procedure was then tested on 1223 low income women with few gestational age estimators. The graphing method proved to have high inter- and intrarater reliability. It was quick, easy to use, inexpensive, and did not require special equipment. The graphing method estimate of gestational age for each infant was tested against the last menstrual period gestational age estimate using paired t-Tests, F tests and the Kolmogorov-Smirnov test of similar populations, producing a 98 percent probability or better that the means and data populations were the same. Less than 5 percent of the infants' gestational ages were misclassified using the graphing method, much lower than the amount of misclassification produced by ultrasound or neonatal examination estimates. ^

myogenin: Human candidate gene and knockout mouse effect

The myogenin gene encodes an evolutionarily conserved basic helix-loop-helix transcription factor that regulates the expression of skeletal muscle-specific genes and its homozygous deletion results in mice who die of respiratory failure at birth. The histology of skeletal muscle in the myogenin null mice is reminiscent of that found in some severe congenital myopathy patients, many of whom also die of respiratory complications and provides the rationale that an aberrant human myogenin (myf4) coding region could be associated with some congenital myopathy conditions.^ With PCR, we found similarly sized amplimers for the three exons of the myogenin gene in 37 patient and 40 control samples. In contrast to the GeneBank sequence for human myogenin, we report several differences in flanking and coding regions plus an additional 659 and 498 bps in the first and second introns, respectively, in all patients and controls. We also find a novel (CA)-dinucleotide repeat in the second intron. No causative mutations were detected in the myogenin coding regions of genomic DNA from patients with severe congenital myopathy.^ Severe congenital myopathies in humans are often associated with respiratory complications and pulmonary hypoplasia. We have employed the myogenin null mouse, which lacks normal development of skeletal muscle fibers as a genetically defined severe congenital myopathy mouse model to evaluate the effect of absent fetal breathing movement on pulmonary development.^ Significant differences are observed at embryonic days E14, E17 and E20 of lung:body weight, total DNA and histologically, suggesting that the myogenin null lungs are hypoplastic. RT-PCR, in-situ immunofluorescence and EM reveal pneumocyte type II differentiation in both null and wild lungs as early as E14. However, at E14, myogenin null lungs have decreased BrdU incorporation while E17 through term, augmented cell death is detected in the myogenin null lungs, not seen in wild littermates. Absent mechanical forces appear to impair normal growth, but not maturation, of the developing lungs in myogenin null mouse.^ These investigations provide the basis for delineating the DNA sequence of the myogenin gene and and highlight the importance of skeletal muscle development in utero for normal lung organogenesis. My observation of no mutations within the coding regions of the human myogenin gene in DNA from patients with severe congenital myopathy do not support any association with this condition. ^

Growth and development of body fat distribution from skinfold measurements: Longitudinal principal components

Longitudinal principal components analyses on a combination of four subcutaneous skinfolds (biceps, triceps, subscapular and suprailiac) were performed using data from the London Longitudinal Growth Study. The main objectives were to discover at what age during growth sex differences in body fat distribution occur and to see if there is continuity in body fatness and body fat distribution from childhood into the adult status (18 years). The analyses were done for four age sectors (3mon-3yrs, 3yrs-8yrs, 8yrs-18yrs and 3yrs-18yrs). Longitudinal principal component one (LPC1) for each age interval in both sexes represents the population mean fat curve. Component two (LPC2) is a velocity of fatness component. Component three (LPC3) in the 3mon-3yrs age sector represents infant fat wave in both sexes. In the next two age sectors component three in males represents peaks and shifts in fat growth (change in velocity), while in females it represents body fat distribution. Component four (LPC4) in the same two age sectors is a reversal in the sexes of the patterns seen for component three, i.e., in males it is body fat distribution and in females velocity shifts. Components five and above represent more complicated patterns of change (multiple increases and decreases across the age interval). In both sexes there is strong tracking in fatness from middle childhood to adolescence. In males only there is also a low to moderate tracking of infant fat with middle to late childhood fat. These data are strongly supported in the literature. Several factors are known to predict adult fatness among the most important being previous levels of fatness (at earlier ages) and the age at rebound. In addition we found that the velocity of fat change in middle childhood was highly predictive of later fatness (r $\approx -$0.7), even more so than age at rebound (r $\approx -$0.5). In contrast to fatness (LPC1), body fat distribution (LPC3-LPC4) did not track well even though significant components of body fat distribution occur at each age. Tracking of body fat distribution was higher in females than males. Sex differences in body fat distribution are non existent. Some sex differences are evident with the peripheral-to-central ratios after age 14 years. ^

The association between academic achievement and health status among eighth -grade Hispanic students in Houston

This cross-sectional study examines the association between health and academic achievement among Hispanic eighth-grade students in the Houston Independent School District. As part of the district's 3 year Safe Schools/Healthy Students Initiative to enhance comprehensive educational programs, a brief anonymous questionnaire was administered in the classroom to 359 students in two schools during a one-month period in the early part of the 2001 school year. ^ The primary study questions are: Among this sample of Hispanic adolescents, is there a significant association between academic achievement and health status? and in this same population, is there a significant association between health risk behavior and health status? The specific aims of this research are: (1) to describe the association between academic achievement and health status; (2) to describe the association between health risk behaviors and health status; and (3) to describe the relative contribution of health risk behaviors and academic achievement to adolescent health status among this sample of Hispanic adolescents. ^ The survey instrument was a 32-item questionnaire that incorporated: several academic achievement questions measuring usual grades, school-related performance, attendance, student and perceived parental satisfaction with academic achievement, and educational aspirations; two health and quality of life scales measuring adolescent self-reported health; and specific measures of health risk behavior, e.g., frequency of tobacco cigarette smoking, alcohol and other drug use, aggression, and suicidal ideation and behavior that were incorporated from the national Youth Risk Behavior Survey. Questions pertaining to sexual behavior and pregnancy were omitted to comply with school district guidelines. ^ Analysis revealed that strong associations between academic achievement and health status and between health risk behaviors and health status were observed after controlling for the covariates. Eight factors were found to be significantly associated with poor health status: usual grades (low), academic performance (low), academic achievement beliefs (low), classroom and homework performance satisfaction (low), ever drinking alcohol (6 or more times), suicidality (ever thought about, planned for, or sought medical help after attempting suicide), gender (female), and age (15 years and older). (Abstract shortened by UMI.) ^

The role of the transcription factor Ets1 in melanocyte development

Melanocytes, pigment-producing cells, derive from the neural crest (NC), a population of pluripotent cells that arise from the dorsal aspect of the neural tube during embryogenesis. Many genes required for melanocyte development were identified using mouse pigmentation mutants. The deletion of the transcription factor Ets1 in mice results in hypopigmentation; nevertheless, the function of Ets1 in melanocyte development is unknown. The goal of the present study was to establish the temporal requirement and role of Ets1 in murine melanocyte development. In the mouse, Ets1 is widely expressed in developing organs and tissues, including the NC. In the chick cranial NC, Ets1 is required for the expression of Sox10, a transcription factor critical for the development of melanocytes, enteric ganglia, and other NC derivatives. ^ Using a combination of immunofluorescence and cell survival assays Ets1 was found to be required between embryonic days 10 and 11, when it regulates NC cell and melanocyte precursor (melanoblast) survival. Given the requirement of Ets1 for Sox10 expression in the chick cranial NC, a potential interaction between these genes was investigated. Using genetic crosses, a synergistic genetic interaction between Ets1 and Sox10 in melanocyte development was found. Since Sox10 is essential for enteric ganglia formation, the importance of Ets1 on gut innervation was also examined. In mice, Ets1 deletion led to decreased gut innervation, which was exacerbated by Sox10 heterozygosity. ^ At the molecular level, Ets1 was found to activate a Sox10 enhancer critical for Sox10 expression in melanoblasts. Furthermore, mutating Ets1 at a site I characterized in the spontaneous variable spotting mouse pigmentation mutant, led to a 2-fold decrease in enhancer activation. Overexpression and knockdown of Ets1 did not affect Sox10 expression; nonetheless, Ets1 knockdown led to a 6-fold upregulation of the transcription factor Sox9, a gene required for melanocyte and chondrocyte development, but which impairs melanocyte development when its expression is prolonged. Together, these results suggest that Ets1 is required early during melanocyte development for NC cell and melanoblast survival, possibly acting upstream of Sox10. The transcription factor Ets1 may also act indirectly in melanocyte fate specification by repressing Sox9 expression, and consequently cartilage fate.^

Métabolisme énergétique cardiaque fœtal dans un modèle de restriction de croissance intra-utérine chez le rat

Une diète faible en sodium donnée à des rates lors de la dernière semaine de gestation induit une diminution de l’expansion volumique, du diamètre des artères utérines et du poids des placentas comparativement à des rates témoins. Ces perturbations suggèrent une diminution de la perfusion placentaire affectant l’apport foetal en nutriments. Les ratons naissent avec une restriction de croissance intra-utérine (RCIU). Chez le foetus, le substrat énergétique cardiaque principal est le glucose via la glycolyse. À la naissance, la source principale d’énergie est l’utilisation des acides gras par la β-oxydation. Nous émettons l’hypothèse que dans ce modèle de RCIU, le coeur foetal répond à la diminution d’apport nutritionnel due à une atteinte maternelle en adaptant son métabolisme énergétique cardiaque à la baisse. Les rates gestantes (témoins et recevant la diète faible en sodium) sont sacrifiées au jour 22 de gestation (sur 23). Les coeurs foetaux sont prélevés afin de caractériser les protéines dites « limitantes » in vitro des voies de la glycolyse et de la β-oxydation. Les expressions protéiques de GLUT1, GLUT4, HK1, HK2, CPT2, CPT1β, cytochrome c, PFK1, PKM1/2, mesurées par immunobuvardage de type Western, sont similaires entre les coeurs des foetus RCIU et témoins, mâles et femelles. L’expression protéique de CPT1α est diminuée dans les coeurs des femelles RCIU seulement. Il n’existe aucune différence significative entre les différents groupes quant à l’activité enzymatique de PKM1/2. Nos résultats dressent un profil métabolique général suggérant que le sexe du foetus peut avoir un effet sur la réponse cardiaque foetale à une atteinte du volume sanguin maternel causée par la diète restreinte en sodium. Ce profil métabolique semble démontrer une atteinte du catabolisme des lipides. Afin de bien caractériser cette réponse du mécanisme énergétique, l’activité enzymatique des autres enzymes principales de la glycolyse (HK1, HK2, PFK1), le flux intra-mitochondrial d’acyl CoA à travers les CPTs ainsi que la quantité totale d’acétyl CoA devront être quantifiés.

L’assistance médicalisée pour mourir demandée dans le cadre des soins de fin de vie : enjeux d’une éthique réflexive et critique pour l’humanisation de la mort

Par une approche analytique, cette étude en éthique clinique a examiné la problématique de la demande d’assistance médicalisée pour mourir formulée dans le cadre des soins de fin de vie. Partant du fait que cette demande sollicite les soignants dans leur savoir et leur savoir-faire, surtout dans leur savoir-être, cette étude rend d’abord compte d’un fait : bon gré mal gré l’interdit de l’euthanasie par la loi et la déontologie médicale, ainsi que le débat contradictoire à son sujet qui dure déjà voici quelques décennies, il arrive de temps à autres que les soignants œuvrant en soins de fin de vie, soient confrontés à une demande d’assistance médicalisée pour mourir. Cette demande qui émane de certaines personnes en fin de vie et / ou de leurs proches, est souvent source de malaise pour les soignants à l’endroit de qui elle crée des défis majeurs et fait naître des dilemmes éthiques importants. Plus particulièrement, cette demande interroge toujours la finalité même des soins de fin de vie : est-ce que l’aide pour mourir fait partie de ces soins ? En réponse à cette question difficile, cette démarche réflexive de soignant chercheur en éthique montre qu’il est difficile de donner une réponse binaire en forme de oui / non ; il est difficile de donner une réponse d’application universalisable, et de définir une généralisable conduite à tenir devant une telle demande, car chaque cas est singulier et unique à son genre. Cette étude montre prioritairement que l’humanisation de la mort est à la fois un enjeu éthique important et un défi majeur pour notre société où la vie des individus est médicalisée de la naissance à la mort. En conséquence, parce que la demande d’assistance médicalisée pour mourir sollicite les soignants dans leur savoir et leur savoir-faire, cette étude montre toute l’importance de la réflexivité et de la créativité que doivent développer les soignants pour apporter une réponse constructive à chaque demande : une réponse humanisant le mourir et la mort elle-même, c’est-à-dire une réponse qui soit, sur le plan éthique, raisonnable et cohérente, une réponse qui soit sur le plan humain, porteuse de sens. D’où, outre l’axiologie, cette démarche réflexive montre que l’interdisciplinarité, la sémantique, l’herméneutique et les grilles d’analyse en éthique, constituent des outils réflexifs efficaces pouvant mieux aider les soignants dans leur démarche. Sur quelles bases éthiques, les soignants doivent-ils examiner une demande d’assistance médicalisée pour mourir, demande qui se présente toujours sous la forme d’un dilemme éthique? Cette question renvoie entre autre au fait que cette demande sollicite profondément les soignants dans leur savoir-être en relation des soins de fin de vie. Aussi bonnes les unes que les autres, qu’on soit pour ou contre l’euthanasie, plusieurs stratégies et méthodes d’analyse sont proposées aux soignants pour la résolution des conflits des valeurs et des dilemmes éthiques. Mais, ce n’est pas sur cette voie-là que cette étude invite les soignants. C’est plutôt par leur réflexivité et leur créativité, enrichies principalement par leur humanisme, leur expérience de vie, leur intuition, et secondairement par les différentes méthodes d’analyse, que selon chaque contexte, les soignants par le souci permanent de bien faire qui les caractérisent, trouveront toujours par eux-mêmes ce qui convient de faire dans l’ici et maintenant de chaque demande. C’est pourquoi, devant une demande d’assistance médicalisée pour mourir qui leur est adressée dans le cadre des soins de fin de vie, cette démarche éthique invite donc les soignants à être « des cliniciens créatifs, des praticiens réflexifs» . C’est pour cette raison, sur le plan proprement dit de la réflexion éthique, cette étude fait apparaître les repères de l’éthique humaniste de fin de vie comme bases axiologiques sur lesquels les soignants peuvent construire une démarche crédible pour répondre au mieux à cette demande. L’éthique humaniste de fin de vie située dans le sillage de l’humanisme médical , où l’humain précède le médical, renvoie au fait qu’en soins de fin de vie où émerge une demande d’aide à la mort, entre le demandeur de cette aide et le soignant, tout doit être basé sur une confiante relation d’homme à homme, même si du côté du soignant, son savoir être dans cette relation est aussi enrichi par sa compétence, ses connaissances et son expérience ou son savoir-faire. Basée sur l’humanité du soignant dans la démarche de soins, l’éthique humaniste de fin de vie en tant que pratique réflexive émerge de la créativité éthique du soignant lui-même et de l’équipe autour de lui ; et cette éthique se situe entre interrogation et transgression, et se définit comme une éthique « du vide-de-sens-à-remplir » dans un profond souci humain de bien faire. Car, exclue l’indifférence à la demande de l’assistance médicalisée pour mourir, son acceptation ou son refus par le soignant, doit porter sur l’humanisation de la mort. Cette dernière étant fondamentalement définie par rapport à ce qui déshumanise la fin de vie.

Le rôle des symptômes d'hyperactivité- impulsivité dans la performance à une tâche de pointage manuel : quel rôle pour l'inattention?

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