Kontrola Notch signální dráhy nad vývojem a onemocněním cévního systému a jater

Mgr. Simona Hankeová, Ph.D.

Doctoral thesis

Notch control of vascular and hepatic development and disease

Anotácia:

Signální dráha Notch je jednou z hlavních komunikačních drah, které řídí vývoj a homeostázu všech mnohobuněčných organizmů. Mutace v signální dráze Notch jsou příčinou mnoha nádorových a několika genetických onemocnění. Alagilleův syndrom (ALGS) je vzácné genetické multisystémové onemocnění postihující novorozence. Genetickou příčinou ALGS jsou mutace v genech pro ligand signální dráhy Notch JAGGED1 (JAG1) (~ 95%), nebo receptor NOTCH2 (~2%). Myší model, který jsme vyvinuli pro studium ALGS, přezdívaný Nodder (Jag1Ndr/Ndr), vykazuje čtyři z pěti hlavních klinických znaků ALGS. Naše data ukázala, že signalizace pomocí Jag1 je zcela nepostradatelná pro správný vývoj jaterních žlučových cest a pro zachování jejich morfogeneze , především pak jejich apikální polarity. Dále jsme odhalili, že ligand Jag1Ndr je selektivni pro vazbu a aktivaci Notch receptorů. V druhém projektu jsme rozvinuli současnou metodu pro vizualizaci biologických dutých systémů pomocí syntetické pryskyřice. Tuto technologii jsme pojmenovali Double resin casting micro computed tomography (DUCT). DUCT umožnuje vizualizaci dvou dutých systémů zároveň a v 3D rozlišení. Naše metoda je založena na injikaci dvou kontrastních syntetických pryskyřic a jejich následovného snímání pomocí mikro výpočetní tomografie. Vyvinuli jsme i kód pro automatizovanou analýzu a výpočet objemu, délky a průměru. Prostřednictvím DUCTu jsme odhalili atypicky rostoucí žlučovody u myší Jag1Ndr/Ndr spolu s unikátní prostorovou informací, která ukazuje jakým způsobem, žlučovody obepínají větve portální (vrátnicové) žíly. Dalším z našich výzkumných záměrů bylo studium cévních onemocnění spojených s ALGS. Ukázali jsme, že Jag1 je nezbytný pro správný vývoj, prostorové usprořádání a spojování nově vytvořené cévní sítě oční sítnice. Objevili jsme také novou funkci Jag1 v homeostáze cév, předvším v centrálním kapilárním plexu oční sítnice. Nedostatečně prokrvená sítnice Jag1Ndr/Ndr myší vede k poškození axonů gangliových buněk. Poslední cíl našeho studia byl zaměřen na spontánní intracerebrální krvácení u pacientů s ALGS, konkrétně na změny integrity cév na buněční úrovni. Malá skupina myší Jag1Ndr/Ndr rovněž trpí krvácením do mozku a sítnice. Náš výzkum odhalil porušení hladké svaloviny cévní stěny sítnicových tepen u myší Jag1Ndr/Ndr. Tato porucha je degenerativní a prokazuje se výrazným zhoršením s přibývajícím věkem u myší Jag1Ndr/Ndr, či jedinců Jag1Ndr/Ndr s vysokým krevním tlakem. Porušení hladké svaloviny cév bylo pozorováno i u myší s mutací v Notch3, která je spojena s lidským onemocněním vedoucím k časnému výskytu infarktů a předčasné demence CADASIL. Na základě získaných dat vyvozujeme, že pacienti s ALGS mohou mít větší riziko výskytu předčasné demence. Tato disertační práce přispěla do oboru studia ALGS vývojem nového myšího modelu pro studium tohoto onemocnění. Výykum provedený na tomto myším modelu přinesl nové poznatky o funkci genu Jag1 ve vývoji a homeostáze jater a cévního systému. Dále jsme popsali změny v genech ovlivněných aberantní Jag1/Notch signalizací, jako například Igf1, které by mohly mít terapeutické využití pro léčbu ALGS. Na závěr jsme obohatili vědeckou komunitu vyvinutím nové technologie pro studium vícečetných dutých systémů ve 3D.

Abstract:

Notch signalling is one of the main communication avenues that drives development and homeostasis of all metazoan species. Aberrant Notch signalling is linked to many types of cancer and several genetic disorders. Alagille syndrome (ALGS) is a rare genetic paediatric disease with multisystem involvement, which is caused by mutations in the Notch ligand JAGGED1 (JAG1) (~ 95%) or in the receptor NOTCH2 (~2%). This thesis contributes to the field of ALGS by developing a new mouse model to understand liver and vascular abnormalities reported in patients. We have established a mouse model for ALGS nicknamed Nodder (Jag1Ndr/Ndr). Jag1Ndr/Ndr mice display most of the main clinical features, recapitulating the multisystem nature of the disease. Jag1 signalling is indispensable for intrahepatic bile duct development and postnatal morphogenesis, especially for bile duct apical polarity. For the first time we report a Notch ligand missense mutation that acts in a receptor-selective manner, binding and activating NOTCH2, but not NOTCH1. To gain better understanding of the spatial architecture of the liver biliary and vascular trees, we developed a new method, based on resin casting, named Double resin casting micro computed tomography (µCT), (DUCT). DUCT enables visualization of two tubular structures, simultaneously and in 3D. The technique is based on injection of two radiopaque synthetic resins followed by µCT scanning. We combined DUCT with an automated pipeline to quantify multiple parameters such as volume, length, tortuosity and diameter. DUCT revealed new aspects of bile duct remodelling in Jag1Ndr/Ndr mice and previously unknown, conserved spatial arrangement of the portal vein and bile duct healthy livers. To explore the vascular defects of ALGS we investigated the role of Jag1 in angiogenesis and blood vessel homeostasis. We discovered that Jag1 is crucial for correct blood vessel growth, patterning and tip sprout anastomosis. We further determined a new role for Jag1 in blood vessel maintenance, where it is indispensable for the stability of the intermediate capillary plexus. The abnormal vasculature of Jag1Ndr/Ndr retina leads to ganglion cell axonal damage. Lastly, we studied the cellular changes leading to intracranial vascular accidents, a major cause of mortality in patients with ALGS. A small portion of Jag1Ndr/Ndr mice suffers from brain and retina haemorrhages and spontaneous retina arteriole leakage. The vascular smooth muscle cells (vSMCs) of Jag1Ndr/Ndr arterioles demonstrate sparse alignment and poor coverage. This phenotype is degenerative and aged or Angiotensin II-treated Jag1Ndr/Ndr mice show a progressive loss of vSMCs, low vascular tone and occasionally aneurysms. The aberrant changes in vSMCs phenocopy the mutations in Notch3, which are associated with early onset of strokes and dementia in humans. We therefore hypothesize that ALGS patients might be at a greater risk of vascular dementia. In summary, our work advances the current knowledge on Jag1 function in liver and vascular development and homeostasis. We also contributed to the research community by developing a new tool to study multiple tubular structures in 3D. Additionally, we have unravelled new downstream effectors of Jag1/Notch signalling, such as Igf1, which could serve as a therapeutic target. This novel model, and my work, can serve as a basis for future studies to identity and test therapeutic options for vascular and hepatic aspects of Alagille syndrome or other liver/vascular disorders.

Keywords

Notch, Jagged1, Alagille, Játra, Sítnice, Angiogeneze, Vývoj, Homeostáza, Liver, Retina, Angiogenesis, Development, Homeostasis

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 17. 4. 2019

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 14. 6. 2019
• Vedúci: PhD. Emma Rakel Andersson
• Oponent: PhD. Manlio Vinciguerra, Rui Benedito, PhD

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Biology (4-years) / Animal Physiology