In vivo Bildgebung und transkriptionelle Regulation mophogenetischer Mechanismen in kardialen Vorläuferzellen während der Herzentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr. Karl-Ludwig Laugwitz; Professor Dr. Steffen Massberg
• Fachliche Zuordnung: Kardiologie, Angiologie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 41489051

Stammzellen (Vorläuferzellen) besitzen die einzigartige Fähigkeit, einerseits sich selbst zu erneuern und andererseits in spezialisierte Tochterzellen zu differenzieren, um entscheidende Funktionen während der embryonalen Organogenese und der Gewebshomeostase zu steuern. Regenerative Stammzelltherapien für das Herz erfordern ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen, die das Schicksal und die Differenzierung kardiovaskulärer Progenitorzellen während der embryonalen Entwicklung regulieren. Das Herz wird durch zwei Populationen von Vorläuferzellen gebildet. In der Embryogenese entsteht der linke Ventrikel aus der ersten Population, während der rechte Ventrikel, der Ausflußtrakt und große Teile der Vorhöfe durch die zweite Population von Zellen formiert werden. Die wichtigsten Zelllinien des Herzens, Kardiomyozyten, glatte Muskelzellen und Endothelzellen, werden aus multipotenten kardiovaskulären Vorläuferzellen gebildet, die die Transkriptionsfaktoren Isl1 und Nkx2-5 exprimieren. Für eine regelrechte Organentwicklung müssen die kardialen Progenitorzellen gezielt auf Signalkaskaden antworten, um zu expandieren, zu migrieren und sich letztlich in die drei-dimensionalen Herzstrukturen zu integrieren. Die Morphogenese dieser Prozesse, speziell in der Maus, ist bisher nicht ausreichend verstanden. Ziel unseres Projektes ist es daher, Signale zu identifizieren, die (a) frühe Schritte der Differenzierung und (b) Positionierung und Migration kardialer Vorläuferzellen in der Herzmorphogenese steuern. In vorbereitenden Arbeiten haben wir DNA Mikroarray-Analysen kodierender und nicht-kodierender RNA aus FACS-gereinigten kardiovaskulären Vorläuferzellen zu verschiedenen Entwicklungsstadien durchgeführt, um neue Signalwege zu entdecken, die potentiell Differenzierung und Migration der Progenitoren während der Herzentwicklung koordinieren. Basierend auf diesen Vorarbeiten wird das vorliegende Projekt die Modulation der Migration und Differenzierung kardialer Vorläufer (a) durch 4 microRNAs (miRNAs), die wir in der Progenitorpopulation identifiziert haben und an 3`-UTRs des Isl1, Nkx2.5 und Gata4 Gens binden, charakterisieren. Darüber hinaus werden wir (b) die funktionelle Bedeutung von Sphingosine 1-phosphat (S1P) Rezeptoren (S1PR) und S1P generierenden Enzymen (Sphingosinkinasen, SphK) für Migration und Differenzierung kardialer Vorläufer definieren. S1PRs und SphKs spielen eine wesentliche Rolle beim Trafficking von Immunzellen, und sind stark in sich entwickelnden kardialen Vorläuferzellen exprimiert. Mit Hilfe der intravitalen Multiphotonenmikroskopie (IVMP) und Zelllinientracking in Isl1-Cre/R26R-YFP Mausembryonen haben wir eine neue Methode etabliert, die uns die Visualisierung der Migration und Differenzierung individueller kardialer Progenitorzellen im sekundären Herzfeld erlaubt. Mit Hilfe dieser Methode sollen die folgenden spezifischen Ziele des wissenschaftlichen Prgramms erarbeitet werden: Ziel 1 wird mittels „live imaging“ in Isl1-Cre/R26R-YFP Embryonen das physiologische Trafficking Isl1+ kardialer Vorläufer über die Zeit (Embryonaltage 7.5 bis 9.5) analysieren. Zusätzlich werden die Migrationsdefekte in Isl1-knockout Mäusen untersucht. Ziel 2 wird die funktionelle Rolle der identifizierten miRNAs und der S1P Signalmaschinerie in der Regulation von Differenzierung und Migration kardialer Vorläufer in vitro charakterisieren. Ziel 3 wird diese Ergebnisse auf die in vivo Situation übertragen und mittels IVMP die Effekte einer konditionalen Überexpression der validierten miRNAs bzw. einer genetischen Ablation der S1P Signalkaskade in lebenden Embryonen studieren. Diese Arbeiten werden neue Erkenntnisse hinsichtlich molekularer Mechanismen kardialer Progenitorzellmigration und Differenzierung im Kontext kardiovaskulärer Stammzellbiologie und Regeneration liefern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 923: Molecular Dissection of Cardiovascular Functions