Sequential Notch activation regulates ventricular chamber development

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.