A novel TBX5 missense mutation (V263M) in a family with atrial septal defects and postaxial hexodactyly

Background: Congenital heart diseases are the most frequent birth defects and are commonly associated with skeletal malformations. Mutations in the TBX5 gene, a T-box transcription factor located on chromosome 12q24.1, have been demonstrated to be the underlying molecular alteration in individuals with different congenital cardiac disorders, notably the Holt-Oram syndrome. Methods: Six members from a two-generation family from a consanguineous couple, which had atrial septal defects associated with postaxial hexodactyly in all extremities were clinically assessed and submitted to TBX5 mutational analysis performed by direct sequencing. Results: We detected a new TBX5 missense mutation (V263M) in all four individuals studied with cardiac abnormalities. The genotype phenotype correlations in light of unusual features are extensively discussed, as well as the possible significance of these atypical findings. Conclusions: These new data extend our clinical and molecular knowledge of TBX5 gene mutations and also raise interesting questions about the phenotype heterogeneity regarding these gene alterations. (C) 2008 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Holt-Oram syndrome: novel TBX5 mutation and associated anomalous right coronary artery

The Holt-Oram syndrome was confirmed in an asymptomatic 36-year-old man by a novel TBX5-gene mutation (exon 8 acceptor splicing site, c.663-1G greater than A). Computed tomography showed an atrial septal defect and an anomalous right coronary artery crossing between the aorta and pulmonary arteries. Surgery corrected the septal defect and the initial segment of the anomalous vessel was unroofed and enlarged. Anomalous coronary arteries were not previously described in the Holt-Oram syndrome patients and should be added to the list of possible associated cardiac defects.

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.

Regulatory variation in a TBX5 enhancer leads to isolated congenital heart disease

Recent studies have identified the genetic underpinnings of a growing number of diseases through targeted exome sequencing. However, this strategy ignores the large component of the genome that does not code for proteins, but is nonetheless biologically functional. To address the possible involvement of regulatory variation in congenital heart diseases (CHDs), we searched for regulatory mutations impacting the activity of TBX5, a dosage-dependent transcription factor with well-defined roles in the heart and limb development that has been associated with the HoltOram syndrome (hearthand syndrome), a condition that affects 1/100 000 newborns. Using a combination of genomics, bioinformatics and mouse genetic engineering, we scanned approximate to 700 kb of the TBX5 locus in search of cis-regulatory elements. We uncovered three enhancers that collectively recapitulate the endogenous expression pattern of TBX5 in the developing heart. We re-sequenced these enhancer elements in a cohort of non-syndromic patients with isolated atrial and/or ventricular septal defects, the predominant cardiac defects of the HoltOram syndrome, and identified a patient with a homozygous mutation in an enhancer approximate to 90 kb downstream of TBX5. Notably, we demonstrate that this single-base-pair mutation abrogates the ability of the enhancer to drive expression within the heart in vivo using both mouse and zebrafish transgenic models. Given the population-wide frequency of this variant, we estimate that 1/100 000 individuals would be homozygous for this variant, highlighting that a significant number of CHD associated with TBX5 dysfunction might arise from non-coding mutations in TBX5 heart enhancers, effectively decoupling the heart and hand phenotypes of the HoltOram syndrome.

Association of genetic variation with systolic and diastolic blood pressure among African Americans: the Candidate Gene Association Resource study.

The prevalence of hypertension in African Americans (AAs) is higher than in other US groups; yet, few have performed genome-wide association studies (GWASs) in AA. Among people of European descent, GWASs have identified genetic variants at 13 loci that are associated with blood pressure. It is unknown if these variants confer susceptibility in people of African ancestry. Here, we examined genome-wide and candidate gene associations with systolic blood pressure (SBP) and diastolic blood pressure (DBP) using the Candidate Gene Association Resource (CARe) consortium consisting of 8591 AAs. Genotypes included genome-wide single-nucleotide polymorphism (SNP) data utilizing the Affymetrix 6.0 array with imputation to 2.5 million HapMap SNPs and candidate gene SNP data utilizing a 50K cardiovascular gene-centric array (ITMAT-Broad-CARe [IBC] array). For Affymetrix data, the strongest signal for DBP was rs10474346 (P= 3.6 × 10(-8)) located near GPR98 and ARRDC3. For SBP, the strongest signal was rs2258119 in C21orf91 (P= 4.7 × 10(-8)). The top IBC association for SBP was rs2012318 (P= 6.4 × 10(-6)) near SLC25A42 and for DBP was rs2523586 (P= 1.3 × 10(-6)) near HLA-B. None of the top variants replicated in additional AA (n = 11 882) or European-American (n = 69 899) cohorts. We replicated previously reported European-American blood pressure SNPs in our AA samples (SH2B3, P= 0.009; TBX3-TBX5, P= 0.03; and CSK-ULK3, P= 0.0004). These genetic loci represent the best evidence of genetic influences on SBP and DBP in AAs to date. More broadly, this work supports that notion that blood pressure among AAs is a trait with genetic underpinnings but also with significant complexity.

Régulation de l’identité des membres postérieurs par le facteur de transcription à boîte T Tbx4

Bien que partageant une homologie structurelle évidente, les membres antérieurs (MA) sont toujours différents des membres postérieurs (MP). Ceci suggère l’existence d’un programme générique de formation d’un membre, un bauplan, qui doit être modulé de façon spécifique pour engendrer cette différence antéro-postérieure de l’identité. Nous avons donc voulu identifier les mécanismes déployés durant l’évolution pour permettre la mise en place de l’identité des membres. Le laboratoire avait précédemment caractérisé, chez les souris où le gène Pitx1 est inactivé, une transformation partielle des MP en MA couplée à une perte de croissance. Nous avons donc cherché à comprendre les mécanismes en aval de Pitx1 dans la détermination de l’identité postérieure. Notre démarche nous a permis d’identifier les gènes affectés par la perte de Pitx1 dans les MP, où nous avons confirmé une dérégulation de l’expression de Tbx4. Tbx4 et Tbx5 sont des candidats évidents pour déterminer l’identité, leur expression étant restreinte aux MP et MA, respectivement, mais leur implication dans ce processus était sujette à controverse. Nous avons donc évalué l’apport de Tbx4 en aval de Pitx1 dans les processus d’identité en restaurant son expression dans les MP des souris Pitx1-/-. Ce faisant, nous avons pu montrer que Tbx4 est capable de pallier la perte de Pitx1 dans le MP, en rétablissant à la fois les caractères d’identité postérieure et la croissance. En parallèle, nous avons montré que Tbx5 était capable de rétablir la croissance mais non l’identité des MP Pitx1-/-, démontrant ainsi de façon définitive une propriété propre à Tbx4 dans la détermination de l’identité des membres postérieure. La caractérisation de l’activité transcriptionnelle de Tbx4 et Tbx5 nous a permis de mettre en évidence un domaine activateur conservé mais aussi un domaine spécifique à Tbx4, répresseur de la transcription. Par ailleurs, une mutation faux-sens de TBX4 dans les patients atteints du syndrome coxo-podo-patellaire, TBX4Q531R, inactive le domaine répresseur, empêchant la compensation de l’identité mais non de la croissance des MP dépourvus de Pitx1, démontrant l’importance de cette fonction dans l’identité postérieure. La caractérisation de l’activité répressive de Tbx4, qui se manifeste seulement dans les membres postérieurs démontre l’importance de cette fonction dans l’identité postérieure. Nous avons aussi été en mesure d’identifier un corépresseur qui est suffisant pour supporter cette activité de Tbx4. Enfin, nous avons pu aussi démontrer l’activité transcriptionnelle d’un représentant du gène ancestral, présent chez Amphioxus, qui se comporte strictement comme un activateur et semble dépourvu du domaine répresseur. En somme, nous avons précisé le rôle de Tbx4 et Tbx5, ainsi que leur mécanisme, dans la détermination de l’identité des membres. Globalement, nos travaux permettent d’élaborer une théorie où une divergence d’activité transcriptionnelle de Tbx4 et Tbx5 est responsable de l’identité des membres et même entrevoir que cette divergence d’activité soit à la base de son apparition durant l’évolution.

Cellular and molecular investigations into the development of the pectoral girdle

The forelimbs of higher vertebrates are composed of two portions: the appendicular region (stylopod, zeugopod and autopod) and the less prominent proximal girdle elements (scapula and clavicle) that brace the limb to the main trunk axis. We show that the formation of the muscles of the proximal limb occurs through two distinct mechanisms. The more superficial girdle muscles (pectoral and latissimus dorsi) develop by the “In–Out” mechanism whereby migration of myogenic cells from the somites into the limb bud is followed by their extension from the proximal limb bud out onto the thorax. In contrast, the deeper girdle muscles (e.g. rhomboideus profundus and serratus anterior) are induced by the forelimb field which promotes myotomal extension directly from the somites. Tbx5 inactivation demonstrated its requirement for the development of all forelimb elements which include the skeletal elements, proximal and distal muscles as well as the sternum in mammals and the cleithrum of fish. Intriguingly, the formation of the diaphragm musculature is also dependent on the Tbx5 programme. These observations challenge our classical views of the boundary between limb and trunk tissues. We suggest that significant structures located in the body should be considered as components of the forelimb.

Single-cell expression profiling reveals a dynamic state of cardiac precursor cells in the early mouse embryo

In the early vertebrate embryo, cardiac progenitor/precursor cells (CPs) give rise to cardiac structures. Better understanding their biological character is critical to understand the heart development and to apply CPs for the clinical arena. However, our knowledge remains incomplete. With the use of single-cell expression profiling, we have now revealed rapid and dynamic changes in gene expression profiles of the embryonic CPs during the early phase after their segregation from the cardiac mesoderm. Progressively, the nascent mesodermal gene Mesp1 terminated, and Nkx2-5+/Tbx5+ population rapidly replaced the Tbx5low+ population as the expression of the cardiac genes Tbx5 and Nkx2-5 increased. At the Early Headfold stage, Tbx5-expressing CPs gradually showed a unique molecular signature with signs of cardiomyocyte differentiation. Lineage-tracing revealed a developmentally distinct characteristic of this population. They underwent progressive differentiation only towards the cardiomyocyte lineage corresponding to the first heart field rather than being maintained as a progenitor pool. More importantly, Tbx5 likely plays an important role in a transcriptional network to regulate the distinct character of the FHF via a positive feedback loop to activate the robust expression of Tbx5 in CPs. These data expands our knowledge on the behavior of CPs during the early phase of cardiac development, subsequently providing a platform for further study.

Identification of Drosophila heart-specific Cis-Regulatory Modules under Hox control

Cardiac morphogenesis is a complex process governed by evolutionarily conserved transcription factors and signaling molecules. The Drosophila cardiac tube is linear, made of 52 pairs of cardiomyocytes (CMs), which express specific transcription factor genes that have human homologues implicated in Congenital Heart Diseases (CHDs) (NKX2-5, GATA4 and TBX5). The Drosophila cardiac tube is linear and composed of a rostral portion named aorta and a caudal one called heart, distinguished by morphological and functional differences controlled by Hox genes, key regulators of axial patterning. Overexpression and inactivation of the Hox gene abdominal-A (abd-A), which is expressed exclusively in the heart, revealed that abd-A controls heart identity. The aim of our work is to isolate the heart-specific cisregulatory sequences of abd-A direct target genes, the realizator genes granting heart identity. In each segment of the heart, four pairs of cardiomyocytes (CMs) express tinman (tin), homologous to NKX2-5, and acquire strong contractile and automatic rhythmic activities. By tyramide amplified FISH, we found that seven genes, encoding ion channels, pumps or transporters, are specifically expressed in the Tin-CMs of the heart. We initially used online available tools to identify their heart-specific cisregutatory modules by looking for Conserved Non-coding Sequences containing clusters of binding sites for various cardiac transcription factors, including Hox proteins. Based on these data we generated several reporter gene constructs and transgenic embryos, but none of them showed reporter gene expression in the heart. In order to identify additional abd-A target genes, we performed microarray experiments comparing the transcriptomes of aorta versus heart and identified 144 genes overexpressed in the heart. In order to find the heart-specific cis-regulatory regions of these target genes we developed a new bioinformatic approach where prediction is based on pattern matching and ordered statistics. We first retrieved Conserved Noncoding Sequences from the alignment between the D.melanogaster and D.pseudobscura genomes. We scored for combinations of conserved occurrences of ABD-A, ABD-B, TIN, PNR, dMEF2, MADS box, T-box and E-box sites and we ranked these results based on two independent strategies. On one hand we ranked the putative cis-regulatory sequences according to best scored ABD-A biding sites, on the other hand we scored according to conservation of binding sites. We integrated and ranked again the two lists obtained independently to produce a final rank. We generated nGFP reporter construct flies for in vivo validation. We identified three 1kblong heart-specific enhancers. By in vivo and in vitro experiments we are determining whether they are direct abd-A targets, demonstrating the role of a Hox gene in the realization of heart identity. The identified abd-A direct target genes may be targets also of the NKX2-5, GATA4 and/or TBX5 homologues tin, pannier and Doc genes, respectively. The identification of sequences coregulated by a Hox protein and the homologues of transcription factors causing CHDs, will provide a mean to test whether these factors function as Hox cofactors granting cardiac specificity to Hox proteins, increasing our knowledge on the molecular mechanisms underlying CHDs. Finally, it may be investigated whether these Hox targets are involved in CHDs.

Inherited progressive cardiac conduction disorders.

PURPOSE OF REVIEW Progressive cardiac conduction disorder (PCCD) is an inherited cardiac disease that may present as a primary electrical disease or be associated with structural heart disease. In this brief review, we present recent clinical, genetic, and molecular findings relating to PCCD. RECENT FINDINGS Inherited PCCD in structurally normal hearts has been found to be linked to genetic variants in the ion channel genes SCN5A, SCN1B, SCN10A, TRPM4, and KCNK17, as well as in genes coding for cardiac connexin proteins. In addition, several SCN5A mutations lead to 'cardiac sodium channelopathy overlap syndrome'. Other genes coding for cardiac transcription factors, such as NKX2.5 and TBX5, are involved in the development of the cardiac conduction system and in the morphogenesis of the heart. Mutations in these two genes have been shown to cause cardiac conduction disorders associated with various congenital heart defects. SUMMARY PCCD is a hereditary syndrome, and genetic variants in multiple genes have been described to date. Genetic screening and identification of the causal mutation are crucial for risk stratification and family counselling.

Prdm1 acts downstream of a sequential RA, Wnt and Fgf signaling cascade during zebrafish forelimb induction

Vertebrate limb induction is triggered in the lateral plate mesoderm (LPM) by a cascade of signaling events originating in the axial mesoderm. While it is known that Fgf, Wnt and retinoic acid (RA) signals are involved in this cascade, their precise regulatory hierarchy has not been determined in any species. tbx5 is the earliest gene expressed in the limb bud mesenchyme. Recently, another transcription factor, Prdm1, has been shown to be crucial for zebrafish forelimb development. Here, we show that Prdm1 is downstream of RA, Wnt2b and Tbx5 activity. We find that RA activity, but not Fgf signaling, is necessary for wnt2b expression. Fgf signaling is required for prdm1 expression in the fin bud, but is not necessary for the initiation of tbx5 expression. We propose a model in which RA signaling from the somitic mesoderm leads to activation of wnt2b expression in the intermediate mesoderm, which then signals to the LPM to trigger tbx5 expression. tbx5 is required for Fgf signaling in the limb bud leading to activation of prdm1 expression, which in turn is required for downstream activation of fgf10 expression.

Participation de l'endocarde dans les malformations cardiaques du syndrome Holt-Oram

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Participation de l'endocarde dans les malformations cardiaques du syndrome Holt-Oram

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.