Functional analysis of the notch target gene heyL and related transcription factors in mouse development

In der Embryonalentwicklung von Insekten, Nematoden und Vertebraten reguliert der delta-notch-Signalweg vielfältige Zelldifferenzierungsvorgänge wie die laterale Inhibierung, Zelllinien-Entscheidungen und die Bildung von Grenzen. In Vertebraten aktivieren die transmembranen Liganden delta-like 1, 3 oder 4, bzw. jagged 1 oder 2 einen notch-Rezeptor (notch1, 2, 3 oder 4). Dessen intrazelluläre Domäne bildet im Zellkern mit rbp-j und weiteren Proteinen einen Aktivator-Komplex, der an den Promotor der notch-Zielgene bindet. Neben drei hes-Genen zählen dazu die Gene hey1, hey2 und heyL, die alle eng verwandt sind mit hairy und den Genen des Enhancer of Split-Komplexes (E(spl)) bei Drosophila melanogaster. Die hey-Gene sind in der Maus unter anderem während der Entwicklung von Niere, Arterien, Herz, Nervensystem, Thymus und Somiten spezifisch exprimiert. Um die Bedeutung des heyL-Gens für die Bildung dieser Organe zu untersuchen, wurden heyL-Knockoutmäuse generiert, bei denen jedoch keine morphologischen Veränderungen oder Erkrankungen erkennbar waren. Die durch entsprechende Verpaarung erhaltenen heyL/1-Doppelknockoutmäuse wiesen in der F9-Rückkreuzungsgeneration einen Ventrikel-Septum-Defekt (VSD) auf und verstarben größtenteils ein bis zwei Tage nach der Geburt. Ähnliche Krankheitssymptome zeigen die mit anderen Komponenten des delta-notch-Signalweges in Verbindung gebrachten Erbkrankheiten „Fallot´sche Tetralogie“ (ToF) und das Alagille Syndrom (AGS). Vergleichbare VSDs treten auch bei hey2-Knockoutmäusen auf. Es stellte sich daher die Frage, welche Zielgene des hey2-Transkriptionsfaktors an der Herzbildung beteiligt sind. Literaturbekannte HEY2-Zielgen-Kandidaten sind beim Menschen Follistatin (FST), Keratin 2-7 (KRT2-7) und das epitheliale V-ähnliche Antigen (EVA1). Durch antisense RNA in situ Hybridisierung von wildtypischen und hey2-Knockoutmausschnitten konnten jedoch keine unterschiedlichen Expressionsmuster entdeckt werden. Eigene Microarray-Analysen mit RNA aus hey2-überexprimierenden, humanen 293-Zelllinien identifizierten das Neurofilamentgen NEFL als HEY2-Zielgenkandidat. Bei der in situ Hybridisierung von wildtypischen und hey2-Knockoutmäusen mit einer Probe für das nefl-Gen konnten jedoch keine unterschiedlichen Expressionsmuster erkannt werden, so dass nefl in vivo vermutlich komplexer reguliert wird. Neben den Ventrikel-Septum-Defekten zeigen die heyL/1-Doppelknockoutmäuse einen zweiten abnormalen Phänotyp. Die embryonalen Thymi dieser Tiere sind kleiner als die der wildtypischen Mäuse. Die detaillierte Analyse der Thymozyten-Subpopulationen erbrachte, dass die niedrigere Zellzahl vor allem zu Lasten der doppelt positiven Thymozyten geht. Grund hierfür könnte eine teilweise Blockierung der Entwicklung zwischen der zweiten und dritten Phase des zuvor durchlaufenen doppelt negativen Stadiums sein, denn die absolute Zahl der DN3-Thymozyten ist um über 90 Prozent verringert. Die Blockierung des delta-notch-Signalweges durch Zugabe eines -Sekretase-Inhibitors führte ebenfalls zu einer Verringerung der DN3-Zellen in der gleichen Größenordnung, jedoch im Gegensatz zu den heyL/hey1-Doppelknockout-Thymi gleichzeitig zur Verdreifachung der absoluten Zahl der DN2-Zellen. Diese Unterschiede unterstreichen die Bedeutung weiterer notch-Zielgene wie beispielsweise hes1. Ob die beobachteten Veränderungen in der Entwicklung der Thymozyten Folgen für die Immunabwehr haben, wurde im Rahmen von Immunisierungen mit Trinitrophenyl (TNP)-Ovalbumin untersucht. Hierbei zeigte sich eine Erhöhung der IgG2a und IgG2b Werte und eine Reduktion der IgG1 Produktion bei den heyL/hey1-Doppelknockoutmäusen, während die IgM-Werte zwischen den verschiedenen Mausgenotypen keine signifikanten Unterschiede aufwiesen. Die IgG-Veränderungen deuten darauf hin, dass die T-Zellen vermehrt in die TH1-Zelldifferenzierungsrichtung getrieben werden und die TH2-Cytokinproduktion verringert ist. Bei den hey-Knockoutmäusen waren aufgrund des Expressionsprofils der hey-Gene nicht nur Veränderungen in der Herzentwicklung und im Thymus erwartet worden, sondern auch in der Somitogenese. Dies gilt im Besonderen für die bereits zuvor generierten hey2-Knockoutmäuse, denn hey2 ist im präsomitischen Mesoderm zyklisch exprimiert. Im Gegensatz zu den Knockoutmäusen des verwandten und ebenfalls zyklisch exprimierten hes1-Gens, litten jedoch weder die heyL/hey1-Doppelknockoutmäuse, noch die hey2-Knockoutmäuse an Defekten in der Somitogenese. Während die Bedeutung der Genexpression der hey-Gene in der Somitogenese weiterhin unklar sind, konnten Erkenntnisse über die Funktionen von heyL und hey1 in der Herzentwicklung und bei der Ausreifung der Thymozyten gewonnen werden. Die Identifizierung von hey-Zielgenen in diesen Entwicklungsprozessen kann das Verständnis des delta-notch-Signalweges erweitern, die Ursachen von Erbkrankheiten aufklären helfen und möglicherweise Therapiestrategien aufzeigen.The delta-notch signaling pathway regulates numerous cell differentiation processes like lateral inhibition, cell lineage decisions and the formation of borders in the embryonic development of insects, nematodes and vertebrates. In vertebrates the transmembrane ligands delta-like 1, 3 or 4 and jagged 1 or 2 activate a notch-receptor (notch 1 – 4). In the nucleus its intracellular domain forms an activator-complex together with rbp-j and other proteins that binds to the promoter of notch target genes. Besides three hes genes these include the genes hey1, hey2 and heyL, all of which are closely related to hairy and Enhancer of Split-complex (E(spl)) genes of Drosophila melanogaster. In the mouse hey-genes are specifically expressed during the development of the kidney, arteries, heart, nervous system, thymus, and somites. In order to elucidate the significance of the heyL gene for the formation of these organs, heyL knockout mice were generated. However, these mice did not exhibited morphological changes or diseases. HeyL/1 double knockout mice, that were obtained by appropriate mating, showed ventricle septum defects (VSD) in the F9 backcross generation and most of them died within one or two days after birth. Similar symptoms are seen in the human congenital diseases Tetralogy of Fallot (ToF) and the Alagille Syndrome (AGS), which are associated with other components of the delta-notch signaling pathway. Similar ventricle septum defects also occur in hey2 knockout mice. This raises the question, which of the target genes of the hey2 transcription factor are involved in the formation of the heart? Published human HEY2-candidate target genes are Follistatin (FST), Keratin 7 (KRT2-7) and the Epithelial V-like Antigen (EVA1). Yet, antisense RNA in situ hybridisation of wildtype and hey2 knockout mouse sections did not reveal any differential expression patterns. Own micro array analysis with RNA from hey2 overexpressing human 293 cell lines identified the neurofilament gene NEFL as a HEY2-target gene candidate. However, in situ hybridisation of wildtype and heyL/1-double knockout mice with a probe for the nefl gene did not reveal differential expression patterns. Thus, the regulation of the nefl expression in vivo is presumably more complex. In addition to the VSD, heyL/1 double knockout mice show a second abnormal phenotype. The embryonic thymus of these animals was smaller than that of the wildtype mice. Detailed analysis of the thymocyte subpopulations revealed, that the low cell number is mainly due to the douple positive thymocytes. The reason for this could be a partial block of the development between the second and third phase of the previous double negative stage since the absolute number of DN3 thymocytes is reduced by over 90 percent. Blocking of the delta-notch signaling pathway by the addition of a -secretase inhibitor also led to a reduction of the DN3 cells to the same extent. Yet in contrast to the heyL/hey1 double knockout thymi, a tripling of the absolute number of DN2 cells is observed. These differences underscore the importance of other notch target genes like for example hes1. To investigate if the observed changes in the development of the thymocytes have any consequences for the immune defence, immunisations with trinitrophenyl (TNP)-ovalbumine were performed. In these experiments an elevation of the IgG2a and IgG2b values and a reduction of the IgG1 production in heyL/hey1 double knockout mice was detected. IgM values did not vary significantly between the different mouse genotypes. The IgG changes indicate that the T-cells are increasingly driven towards the TH1 cell differentiation and that TH2-cytokine production is reduced. Based on the expression profiles of hey genes, developmental changes were expected for hey-knockout mice not only during development of the heart and thymus, but also during somitogenesis. This particularly applies to the previously generated hey2 knockout mice because hey2 is expressed in the presomitic mesoderm in an oscillating manner. Yet, in contrast to the knockout mice of the related and also cyclically expressed hes1 gene, neither the heyL/hey1 double knockout mice nor the hey2 knockout mice suffered from defects during somitogenesis. While the relevance of hey gene expression during somitogenesis remains unclear, new insights in the function of heyL and hey1 during heart development and during the maturation of thymocytes were gained. The indentification of hey target genes in these developmental processes can enhance the understanding of the delta-notch signaling pathway. It may also help to explain the causes of inherited diseases and potentially point out therapeutic strategies