Sequential Notch activation regulates ventricular chamber development
Author
D'Amato, GaetanoAdvisor
Pompa Mínguez, José Luis de laEntity
UAM. Departamento de BioquímicaDate
2016-01-15Subjects
Oncogénesis - Tesis doctorales; MedicinaNote
Tesis doctoral inédita, leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 15 de enero de 2016Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
Ventricular chamber morphogenesis is a beautiful example of tissue interactions orchestrating a
precise gene regulatory network essential for tissue patterning, cellular proliferation and
differentiation that ultimately lead to a fully compacted and functional adult ventricle.
The Notch signaling pathway is a crucial regulator of the processes leading to the adult
ventricular chamber: trabeculation, coronary vessel formation and trabecular compaction. Its
alteration may lead to disease in the form of cardiomyopathy. Despite its pivotal role, the exact
mechanisms that regulate endocardial-endothelial Notch activity during chamber development
remain unclear.
In this work, using loss- and gain-of-function mouse models of different Notch elements we
have tried to shed light on the spatio-temporal activation of endocardial Notch1 during ventricular
morphogenesis.
We found that in the early mouse ventricle the glycosyltransferase Manic Fringe favors the Dll4-
Notch1 signaling in the endocardium that is essential for trabeculation. The functional relationship
between the Fringe-modified Notch receptor and its ligand Dll4 was also observed during coronary
vessel formation. In this tissue, the Dll4-Fringe-Notch signaling axis is necessary for triggering
Notch activity in the endothelium of developing coronary vessels. In endocardial cells, at later
stages of chamber development, Manic Fringe and Dll4 expression is down-regulated allowing
myocardial Jag1 and Jag2 signaling to Notch1 throughout the ventricular endocardium and leading
to a fully compacted heart. Forced expression of Manic Fringe in the endocardium disrupts chamber
maturation and compaction, causing a phenotype reminiscent of LVNC, presumably by blocking
Jag1 and Jag2 signaling to Notch1. In the absence of Manic Fringe, Dll4, Jag1 and Jag2 activate
Notch to similar levels, whereas in the presence of Manic Fringe, Dll4 becomes a superactivator.
Comparative transcriptome profiling revealed Gpr126 as a crucial Notch-dependent signal that
connects chamber endocardium and myocardium, sustaining cardiomyocyte proliferation,
trabeculation, ventricular patterning and compaction. Further analysis showed that the Jag1 and
Jag2 ligands from the myocardium play a non-redundant role in activating Notch1 during chamber
compaction and maturation.
The post-translational modifications on the Notch1 receptor mediated by Manic Fringe, in
combination with the differential expression patterns of the ligands Dll4, Jag1 and Jag2 determine a
spatio-temporal specificity of endocardial Notch1. Perturbation of this signaling equilibrium
severely disrupts heart chamber formation. El desarrollo de los ventrículos en el corazón es un claro ejemplo de interacción entre distintos
tejidos. Esta interacción requiere una regulación génica precisa y indispensable para los procesos de
proliferación y diferenciación celular y la formación del patrón tisular que finalmente darán lugar a
la formación de un ventrículo compacto y completamente funcional.
La vía de señalización Notch juega un papel fundamental en la regulación de los procesos que
conducen al desarrollo de la pared ventricular en el corazón adulto: la trabeculación, la formación
de los vasos coronarios y la compactación de las trabéculas. La alteración de la correcta activación
de la vía produce diferentes cardiomiopatías. A pesar de este papel fundamental, los mecanismos
moleculares que regulan la actividad de Notch en el endocardio y en el endotelio coronario durante
el desarrollo de la cámaras siguen siendo desconocidos.
En este trabajo, utilizando modelos murinos de perdida y ganancia de función de los distintos
elementos de la vía de señalización de Notch, hemos estudiado la activación espacio-temporal de
Notch1 durante la morfogénesis ventricular.
Observamos que en el comienzo del desarrollo ventricular, la glicosiltransferasa Manic Fringe
favorece la interacción entre el ligando Dll4 y el receptor Notch1 en el endocardio. La actividad de
Notch1 es fundamental en el proceso de trabeculación. Esta misma señalización, Dll4-Notch1, se
requiere para la formación de los vasos coronarios. En el endotelio coronario, Dll4 interactúa y
activa al receptor Notch previamente modificado por Fringe. En las células del endocardio, en
etapas posteriores del desarrollo de las cámaras, la expresión de Manic Fringe y de Dll4 se reduce
drásticamente. Esto permite a los ligandos expresados en el miocardio, Jag1 y Jag2, activar a
Notch1 en todo el endocardio ventricular. La actividad de Notch1 mediada por Jag1 y Jag2 es
necesaria para el proceso de compactación trabecular. La expresión ectópica de Manic Fringe en el
endocardio durante el proceso de compactación produce un fenotipo similar a la miocardiopatía no
compactada. Presumiblemente esto se deba a que se bloquea la activación de Notch1 por parte de
Jag1 y Jag2. En ausencia de Manic Fringe, Dll4, Jag1 y Jag2 activan Notch de manera similar,
mientras que en presencia de Manic Fringe, Dll4 es en un superactivator de Notch.
El análisis del transcriptoma, comparando los distintos mutantes de la vía de Notch, revela que
Gpr126 es una diana directa de la vía con un papel crucial en la comunicación entre el encocardio y
el miocardio, manteniendo la proliferación de los cardiomiocitos, la trabeculación, determinación
del patrón ventricular y compactación. La comparación del transcriptoma de los ratones con perdida
de función de Jag1 y Jag2 revela que estos dos ligandos desempeñan funciones no redundantes
durante la maduración y compactación de los ventrículos.
Las modificaciones post-traduccionales del receptor Notch1 mediadas por Manic Fringe, en
combinación con los diferentes patrones de expresión de los ligandos Dll4 , Jag1 y Jag2 determinan
una especificidad espacio-temporal de la actividad del receptor Notch1. La perturbación de este equilibrio de señalización desde el endocardio y el miocardio perjudica gravemente el desarrollo de
las cámaras cardíacas.
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