Role of Notch signaling in coronary vessel angiogenesis and remodelling

Abstract

Coronary vessels supply the myocardium with nutrients and oxygen and are crucial for heart development and function. Coronary development defects result in coronary disease, a major cause of morbidity and mortality worldwide. The Notch signaling pathway is a highly conserved pathway, crucial for the regulation of cell specification and proliferation in specific tissue and organs. Specifically, the Notch pathway regulates the processes leading to the formation of the ventricular chambers; trabeculation, coronary vessel formation and trabecular compaction. To gain insight into coronary development, the roles of Notch ligands Jag1 and Dll4 were examined as well as the Notch-ligand modulator Mfng and a downstream target, Efnb2. By using loss function murine models of endocardial Jag1, Dll4 and Efnb2 and endothelial gain of function of Mfng and Dll4 in combination with ex vivo ventricular explant assays, we find that Notch is required at different stages of coronary development. Conditional inactivation of Jag1 during the early phase of coronary development results in the arrest of sinus venosus (SV) sprouting whereas loss of Dll4 results in excessive sprouting. Later induced loss of Jag1 or Dll4 or gain of Dll4 or MFng leads to defective arterial specification, vascular malformations and aberrant coronary arterial patterning. Loss of Ephrinb2 phenocopies loss Jag1, and Ephrinb2 can rescue defective angiogenesis of Jag1- and Dll4-inactivated ventricular explants, identifying Ephrinb2 as a target of both ligands during coronary artery formation. Thus, Jag1 and Dll4/MFng have early opposing roles and late cooperative roles in coronary formation and the downstream direct target Ephrinb2 in endothelium and endocardium is a key effector molecule for the coronary arterial morphogenesis. Comparative transcriptome profiling of the different loss and gain of function mutant hearts revealed hypoxic, oxidative stress and cell death pathways and the activation of immune-inflammatory responses suggestive of ischaemic cell death. Thus perturbation of endocardial/endothelial Notch signaling severely disrupts coronary development and consequently myocardium proliferation and compaction, resulting in embryonic lethality. This implies that development of the coronary vessels and growth and maturation of the ventricles are two interlinked Notch-dependent processes.

Los vasos coronarios son cruciales para el desarrollo y la función del corazón. Defectos en el desarrollo de estos vasos resultan en enfermedades coronarias, siendo una importante causa de mortalidad en todo el mundo. La vía de señalización de Notch es una vía altamente conservada basada en una cascada proteolítica que produce la liberación de su dominio intracelular, que se transloca al núcleo y activa la transcripción de genes diana, siendo una vía clave en la regulación de la diferenciación y la proliferación celular en ciertos tejidos y órganos. Además, la vía de Notch regula los procesos implicados en el desarrollo de las cámaras ventriculares: la trabeculación, la formación de vasos coronarios y la compactación trabecular. Para estudiar el desarrollo coronario, se examinaron las funciones de los ligandos de Notch, Jag1 y Dll4, así como del modulador de la activación de Notch mediada por los ligandos, MFng, y de la diana directa, Ephrinb2. En este trabajo, mediante el uso de modelos murinos de pérdida de función específica de endocardio de Jag1, Dll4 y Efnb2 y ganancia de función de Mfng y Dll4, junto con ensayos de explantes ventriculares ex vivo, se observó un nuevo mecanismo mediante el que la activación de Notch1 controla el desarrollo de vasos coronarios. La señalización a Notch1 a través de Jag1 y Dll4 en el seno venoso embrionario es crucial para coordinar la angiogénesis y las conexiones arteriovenosas que contribuyen a suministrar nutrientes y oxígeno al miocardio compacto. Fallos en este proceso conducen a malformaciónes arteriovenosas (AVM) y de los vasos coronarios, a una alterada diferenciación arterial y a la activación de vías de hipoxia, estrés oxidativo y muerte celular. Los resultados conseguidos sugieren que Jag1 y Dll4/MFng tienen funciones opuestas pero complementarias en el desarrollo coronario y que la diana directa, Ephrinb2, juega un papel clave en el endotelio y el endocardio para la remodelación angiogénica y postangiogénica de los vasos. Un análisis comparativo de expresión génica mediante Rnaseq sugirió la existencia de una respuesta inmune mediada por interferones tipo I y tipo II, junto con muerte celular isquémica, lo cual sugiere que el desarrollo de unos vasos coronarios funcionales y la maduración de los ventrículos son dos procesos interconectados y dependientes de Notch. La alteración de la vía de señalización de Notch altera gravemente el desarrollo coronario y, en consecuencia, la proliferación y compactación del miocardio.