WMZ: Z191701361450 WMR: R209318204033 |
FoxO1 is required in endothelial but not myocardial cell lineages during cardiovascular development | |||
Background: The forkhead transcription factor FoxO1 is involved in cell cycle regulation during cardiovascular development. Systemic loss of FoxO1 results in lethality at embryonic day 10.5 with severe cardiovascular defects; however, the cell-type-specific requirements for FoxO1 in cardiovascular development are unknown. Here we examine the role of FoxO1 using a conditional loss of function approach. Results: Loss of FoxO1 in differentiated cardiac myocytes has no apparent effect on cardiovascular development. In contrast, endothelial-specific FoxO1 deficiency in Tie2Cre;FoxO1fl/fl embryos results in lethality at E10.5, which recapitulates the FoxO1-null phenotype. Tie2Cre;FoxO1fl/fl embryos have an intact differentiated endothelium, but display defective remodeling of vasculature. Additional effects on heart development include reduced myocardial trabeculation, which is likely secondary to the endothelial abnormalities, and hypoplasia of endocardial cushions. Conclusions: The phenotype of Tie2Cre;FoxO1fl/fl mutant embryos demonstrates that FoxO1 is required specifically in endothelial cells to regulate formation of the heart and vasculature during development. Developmental Dynamics 241:803–813, 2012. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. Рис. и табл. см. в оригинале статьи
|
Развитие сердечно-сосудистой системы во время эмбриогенеза зависит от скоординированных функций предшественников эндотелиальных клеток, кардиальных миоцитов и гладких мышц. Имеются многочисленные доказательства у мышей, что дефектное развитие любого из этих клеточных клонов ведет к сердечно-сосудистой дисфункции и эмбриональной летальности (Conway et al.,2003). Инициальное формирование сердечно-сосудистой системы зависит от образования слоя эндотелиальных клеток, а сигналы, испускаемые эндотелием, необходимы для созревания развивающегося сердца и кровеносных сосудов (De Val and Black,2009). Эндотелиальные сигналы инициируют морфогенетический процесс сосудистого развития, который связан с рекрутирование гладкомышечных клеток в формирующиеся сосуды (Warren and Iruela-Arispe,2010; Tirziu and Simons,2009). В сердце, передача сигналов от эндокарда в миокард инициирует пролиферацию, дифференцировку и миграцию клеток, которые необходимы для утолщения миокардиальной стенки и трабекуляции камер желудочков (Wagner and Siddiqui,2007). Следовательно, первоначальное формирование сердечно-сосудистой системы зависит от множественных сигнальных путей, которые обеспечивают взаимодействия эндотелия с окружающими мезенхимными клетками в формирующихся кровеносных сосудах или с соседними миокардиальными клетками в развивающемся сердце. Однако менее известно о клеточной специфичности и регуляторных функциях транскрипционных факторов, необходимых для этих клеточных взаимодействий.
Forkhead транскрипционные факторы подкласса O (FoxO1, FoxO3 и FoxO4) регулируют экспрессию генов, которые инициируют апоптоз, усиливают оксидативный метаболизм, индуцируют дифференцировку и/или способствуют выходу из клеточного цикла разных типов клеток, включая и сердечно-сосудистую систему (Papanicolaou et al.,2008; Calnan and Brunet,2008; Brunet et al.,1999). В культивируемых эндотелиальных клетках, FoxO1 и FoxO3 регулируют ангиогенез и ремоделирование сосудов (Potente et al.,2005). Сходным образом, FoxO1 важен для васкулогенеза в ES клетках (Park et al.,2009). Исследования по целенаправленному воздействию на гены у мышей продемонстрировали, что FoxO1, но не FoxO3, необходим для инициального образования сердечно-сосудистой системы во время развития (Hosaka et al.2004). Геномная потеря FoxO1 у мышей приводит к гибели на эмбриональный день 10.5 (E10.5) из-за сосудистых эффектов и пороков сердца (Furuyama et al.,2004; Hosaka et al.,2004). Специфические типы клеток, повреждаемые у таких эмбрионов не могут быть определены, используя этот подход, поскольку весь эмбрион страдает от геномной потери функции. FoxO1 участвует в созревании эндотелиального, гладкомышечного и миокардиального клонов клеток в развивающейся сердечно-сосудистой системе (Papanicolaou et al.,2008; Park et al.,2009; Evans-Anderson et al.,2008). Следовательно, необходим целенаправленный подход для определения специфических клеточных потребностей в FoxO1 на E10.5.
Здесь мы описываем специфическое для типов клеток устранение экспрессии FoxO1 в эндотелиальном и миокардиальном клонах развивающейся сердечно-сосудистой системы, используя подход Cre-loxp (Paik et al.,2007). FoxO1 недостаточность в дифференцированных кардиомиоцитах (βMHCCre) не оказывает отрицательного влияния на развитие миокарда. Сходным образом, специфичная для кардиомиоцитов потеря FoxO1 в перинатальный период (βMHCCre), по-видимому, не влияет на созревание миокарда или его функцию после рождения. Напротив, FoxO1-недостаточность специфически в эндотелиальных клетках (Tie2Cre) приводит к эмбриональной гибели на ст. E10.5 с сердечно-сосудистыми дефектами, которые воспроизводят таковые, обнаруживаемые при геномной потере функции FoxO1 (Furuyama et al.,2003; Hosaka et al.,2004). Кроме того, потеря FoxO1 в эндотелиальном клоне приводит к прерыванию передачи сигналов эндотелиальных и миокардиальных клеток, обусловленному снижением клеточной адгезии и межклеточных коммуникаций. Эпителиально-мезенхимный переход (EMT) также нарушен в результате дефицита в эндотелии FoxO1, это ведет к образованию гипопластичных эндокардиальных подушек. Более того, вторичные эффекты, такие как гипоморфные рост и созревание миокарда, по-видимому, также обусловлены отсутствием FoxO1 в эндокарде. Всё это демонстрирует, что FoxO1 необходим специфически в эндотелиальных клетках для ремоделирования сосудов и формирования сердечно-сосудистой системы. DISCUSSION Здесь мы продемонстрировали, что FoxO1 необходим специфически в эндотелиальных клетках во время сердечно-сосудистого развития. Вызванная специфическими условиями потеря FoxO1 в эндотелии, но не в миокардиальных клетках, воспроизводит дефектное сердечно-сосудистое развитие и ведет к эмбриональной гибели, наблюдаемых при системной потереFoxO1. Tie2Cre;FoxO1fl/fl эмбрионы имеют кажущиеся нормальными спецификацию и дифференцировку эндотелиальных клеток, но не происходит сосудистого ремоделирования, также наблюдаемого у FoxO1-/- эмбрионов (Furuyama et al.,2004; Hosaka et al.,2004). Дефицит в эндотелии FoxO1 также ведет к дефектам в развитии миокарда, это указывает на нарушения взаимодействий между миокардом и эндокардом. Напротив, специфичный для миокарда дефицит FoxO1 не оказывает видимых эффектов на формирование эмбрионального сердца. Следовательно, FoxO1 специфически необходим в эндотелиальных клетках для ремоделирования сосудов и для передачи эндокардиальных сигналов в соседние миокардиальные клетки, необходимых для инициации сердечно-сосудистой функции.
Дефицит в миокарде FoxO1 не подавляет формирование сердца или кардиальную функцию во время развития. Этот результат согласуется с нашими более ранними наблюдениями, что специфичная для кардиомиоцитов экспрессия доминантно-негативной формы FoxO1 (dnFoxO1) не влияет на развитие сердца на ст. E10.5 (Evans-Anderson et al.,2008). Однако во время более поздних плодных стадий, FoxOs участвуют в выходе из клеточного цикла миокардиальных клеток, на что указывает повышенная пролиферация клеток миоцитов у βMHC-dnFoxO1 мышей на ст. E17.5 (Evans-Anderson et al.,2008). Неожиданно, кондиционная потеря FoxO1 в клонах, специфичных для кардиальных миоцитов, во время развития сердца не приводит к очевидным эмбриональным и неонатальными фенотипическим отклонениям. Т.о., FoxO1 не нужен в клоне кардиомиоцитов для дифференцировки и созревания миокарда. Сходным образом, мыши с комбинированным дефицитом в миокарде FoxO1 и FoxO3 были жизнеспособны, хотя сердца таких животных обнаруживали повышенную чувствительность к оксидативным стрессам (Sengupta et al.,2011). Возможно, что выход из клеточного цикла и метаболические переходы во время периода новорожденности нарушены дефицитом FoxO после рождения, но это не было исследовано в деталях.
Присутствие эндотелиальных клеток, экспрессирующих Endomucin, PECAM и Flk-1 у Tie2Cre;FoxO1fl/fl мутантных эмбрионов демонстрирует, что FoxO1 не нужен для инициации дифференцировки эндотелиальных клеток. Однако FoxO1 необходим в эндотелиальных клетках для более поздней целостности слоя эндотелиальных клеток и ремоделирования сосудов эмбриональной и желточного мешка сосудистой системы. Сходный дефект в ангиогенном ремоделировании был отмечен при системой потере FoxO1, и это было приписано неспособности FoxO1-дефицитным эндотелиальным клеткам отвечать на передачу сигналов VEGF (Furuyama et al.,2004). Кроме того, в культивируемых HUVECs, лишенных FoxO1 обнаруживается аномальные морфология и VEGF реакция, которые не могут быть устранены внесением экспрессии FoxO3 (Matsukawa et al.,2009). Сходным образом, избыток или потеря FoxO1 или FoxO3 в HUVECs ведет к аберрантной миграции и врастанию клеток благодаря регуляции не избыточной, но перекрывающейся экспрессии генов мишеней (Potente et al.,2005). Более того, FoxO1-/- ES клетки являются дефицитными по своей способности формировать эндотелиальные трубки или рекрутировать гладкие мышцы (Park et al.,2009). Более того, VCAM1 был идентифицирован как непосредственная нижестоящая мишень для FoxO1 в сосудистых эндотелиальных клетках, а пониженная адгезия клеток может вносить вклад в морфологические дефекты эндотелия, наблюдаемые при потере FoxO1 в культурах эндотелиальных клеток или у Tie2Cre;FoxO1fl/fl мутантных эмбрионов (Abid et al.,2006; Lee et al.,2011; Ferdous et al.,2011). Однако также возможно, что отсутствие сосудистого ремоделирования, наблюдаемое в желточном мешке мутантных эмбрионов, также может быть результатом задержки развития сердца. Несмотря на это, эти исследования демонстрируют критическую клеточно-автономную роль FoxO1 в поддержании адгезии и целостности эндотелиальных клеток во время образования кровеносных сосудов.
Сердца мутантных эмбрионов Tie2Cre;FoxO1fl/fl обнаруживают гипоморфное миокардиальное развитие и дефектное образование эндокардиальных подушек. Кроме того, пролиферация и трабекуляция кардиальных миоцитов нарушены у мутантных эмбрионов Tie2Cre;FoxO1fl/fl на ст. E10.5. Эндокардиальные подушки у мутантных эмбрионов гипопластичны и содержат меньше мезенхимных клеток, чем таковые сердец у нормальных сибсов. Кроме того, наблюдалось, что отложение кардиального геля между эндотелиальным и миокардиальным слоями клеток, по-видимому, нарушено у мутантных эмбрионов Tie2Cre;FoxO1fl/fl . Передача сигналов от эндокарда необходима как для миокардиального роста, так и эндотелиально-мезенхимного перехода (EMT) эндокардиальных подушек. Однако потеря FoxO1 в эндотелиальных клетках приводит к дефектной передаче сигналов клеток, которая изменяет клеточную адгезию и коммуникации между эндотелиальными и миокардиальными клетками. Уменьшение мезенхимных маркеров, Twist1 и Snail, у мутантных эмбрионов указывает на дефект EMT в эндокардиальных подушках. Сходным образом, пониженная экспрессия Cx40 и VCAM1 указывает на изменение клеточной адгезии и коммуникаций между эндотелиальными и миокардиальными клетками. Кроме того, имеется множество др. сигнальных путей, которые активны в эндотелиальных клетках и участвуют в формировании эндотелиальных подушек, а также в индукции пролиферации миоцитов (Combs and Yutzey,2009; Smith and Bader,2007). В частности, передача сигналов Notch необходима в эндотелиальных клетках, как при формировании эндокардиальных подушек, так и миокардиальном росте и FoxO1 является кофактором Notch нижестоящего эффектора CSL в скелетных мышцах (Timmerman et al.,2004; Grego-Bessa et al.,2004; Kitamura et al.,2007). Однако необходим дальнейший анализ для детерминации специфических сигнальных механизмов, участвующих и обеспечивающих точную роль FoxO1 в эндокардиальных клетках во время сердечно-сосудистого развития.
|