Gundel, Kathrin Ingeburg. Investigating the role of PI3-Kinase α in endothelial cell rearrangements during vascular morphogenesis. 2024, Doctoral Thesis, University of Basel, Faculty of Science.
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Official URL: https://edoc.unibas.ch/96645/
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Abstract
Das Blutkreislaufsystem ist ein hierarchisch organisiertes Netzwerk von spezialisierten Blutgefäßen, welches essenziell für den Transport und die Verteilung von Nährstoffen und Sauerstoff durch den Körper von Wirbeltieren ist. Während der Entwicklung des Blutkreislaufes müssen besondere morphogenetische Prozesse, wie Aussprossung, Gefäßfusionen, Gefäßwachstum und Remodellierung des Netzwerkes, streng reguliert werden, um ein weit verzweigtes und funktionelles Netzwerk an Blutgefäßen zu schaffen. Besonders die Entwicklung multizellulärer Gefäße und die damit einhergehenden Zellinterkalationen benötigen koordinierte Zellverhalten, damit das sich entwickelnde Blutgefäß nicht undicht wird, während sich die Gefäßzellen (Endothelzellen) bewegen. Hier halten Zellmotilität und Zelladhäsion eine empfindliche Balance, die innerhalb der Zellen durch endotheliale Adhäsionsproteine, das Zytoskelett sowie deren übergeschalteten Signalwegen reguliert wird (Betz et al., 2016; Yin et al., 2021; Phng und Belting, 2021).
Es konnte bereits gezeigt werden, dass der Signalweg der PI3-Kinasen verschiedene Zellverhalten wie Migration, Proliferation, Polarisierung und die Regulation des Zellskeletts beeinflusst. In in vitro Systemen sowie in den Endothelzellen verschiedener Modellorganismen regulieren PI3-Kinasen nachweislich die Differenzierung zu Arterien und Venen sowie die Entstehung von Lymphgefäßen. Hier sticht besonders die α-Isoform der PI3-Kinasen, PI3-Kinase α, hervor, die essenziell für die korrekte Entwicklung des Blutkreislaufsystems ist. Der genetische Verlust von PI3-Kinase α führt zu schweren Defekten in der Angiogenese und der Remodellierung von Gefäßnetzwerken (Graupera et al., 2008), eine für den Embryo schon früh letale Situation. Neuere Studien vermuten eine Rolle der PI3-Kinase α in der Regulation von Zellbewegungen während der Entwicklung multizellulärer Gefäße, in dem sie die zytoskeletale Kontraktionsfähigkeit beeinflusst (Angulo-Urarte et al., 2018). Hier fehlt jedoch noch ein tieferes Verständnis dafür, wie genau der Signalweg der PI3-Kinase α die Bewegungen von Endothelzellen koordiniert und wie und wo die Funktion der Kinase in die mechanistischen Prozesse der Entwicklung multizellulärer Blutgefäße integriert wird.
Diese Studie untersucht die Rolle der PI3-Kinase α in der Entwicklung des Blutkreislaufsystems und, im Besonderen, während der Bewegung der Zellen in der Genese multizellulärer Gefäße. Sie analysiert dafür die kardiovaskuläre Entwicklung von Embryonen des Zebrabärblings, in denen das Gen für die katalytische Untereinheit der PI3-Kinase α, pik3ca, ausgeschaltet wurde. Dabei werden vielfältige und hochentwickelte Möglichkeiten der Live-Mikroskopieverfahren genutzt, die nur der Zebrabärbling bietet.
Ähnlich wie in der Maus zeigen Zebrabärbling-Embryos nach Verlust der beiden pik3ca Gene Defekte in der kardiovaskulären Entwicklung und Letalität nach 6-7 Tagen nach der Befruchtung. Interessanterweise weisen dabei unterschiedliche Teile des Blutkreislaufssystems unterschiedliche Effekte nach Verlust der PI3-Kianse α auf; eine Beobachtung, welche bereits in vorherigen Studien in der Maus und in menschlichen Patienten mit genetischen Erkrankungen gemacht wurde. So zeigt der kaudale Venenplexus der mutanten Fischembryonen ventrale Hyperlasie und erhöhte Sprossaktivität, während der Durchmesser der dorsalen Aorta abnimmt, was auf verminderte Zellzahl und verringerte Proliferationsaktivität der Zellen hindeutet. Zusätzlich zu diesen Beobachtungen zeigt auch der Transkriptionsfaktor FOXO unterschiedliche Relokalisationsverhalten in Endothelzellen unterschiedlichen Ursprungs bei akuter Inhibition der PI3-Kinase α.
In den Gefäßen des Rumpfes beeinträchtigt der Verlust von PI3-Kinase α die Umlagerungen und Bewegungen der Endothelzellen innerhalb der Gefäße. Die genauere Analyse der Zellverhalten während der Umlagerungsphase der Entstehung multizellulärer Gefäße in den pik3ca mutanten Embryonen offenbart eingeschränkte Interkalationsfähigkeiten, verschlechterte Zell-Zell-paarung und eine Destabilisierung trizellulärer Kontakte. Des Weiteren enthüllt die spatiotemporale Analyse der PI3-Kinase α-Aktivität durch einen Lipid-Biosensor lokale und periodisch wiederkehrende Aktivität an den distalen Polen der endothelialen Zell-Zell-Grenzen. Diese Oszillationen überlappen sowohl in der Lokalisierung als auch in der Periodizität mit Junction-based lamellipodia (JBL), dem steuernden Mechanismus der Zellgrenzbewegung im Wirbeltierendothel (Paatero et al., 2018). Dies lässt auf einen funktionalen oder regulatorischen Zusammenhang zwischen PI3-Kinase α und JBL schließen.
Zusammengenommen zeigen meine Ergebnisse eine kritische Rolle der PI3-Kinase α in den Bewegungen der Endothelzellen während der Entwicklung multizellulärer Gefäße, potenziell durch die lokale Regulation der zytoskeletalen Kontraktion an den Zell-Zell-Grenzen. Ich konnte zeigen, dass PI3-Kinase α Funktionen in verschiedenen Teilen des Blutgefäßsystems hat, indem sie mit jeweils anderen Signalwegen interagiert. Schlussendlich zeigt eine genaue räumliche und zeitliche Auflösung die hochlokalisierte und oszillierende Aktivität der PI3-Kinase α an den distalen Grenzen der Endothelzellen, wo sie als eine treibende Kraft in der Formation und Funktion von JBL in der Entwicklung multizellulärer Blutgefäße anzusiedeln ist.
Es konnte bereits gezeigt werden, dass der Signalweg der PI3-Kinasen verschiedene Zellverhalten wie Migration, Proliferation, Polarisierung und die Regulation des Zellskeletts beeinflusst. In in vitro Systemen sowie in den Endothelzellen verschiedener Modellorganismen regulieren PI3-Kinasen nachweislich die Differenzierung zu Arterien und Venen sowie die Entstehung von Lymphgefäßen. Hier sticht besonders die α-Isoform der PI3-Kinasen, PI3-Kinase α, hervor, die essenziell für die korrekte Entwicklung des Blutkreislaufsystems ist. Der genetische Verlust von PI3-Kinase α führt zu schweren Defekten in der Angiogenese und der Remodellierung von Gefäßnetzwerken (Graupera et al., 2008), eine für den Embryo schon früh letale Situation. Neuere Studien vermuten eine Rolle der PI3-Kinase α in der Regulation von Zellbewegungen während der Entwicklung multizellulärer Gefäße, in dem sie die zytoskeletale Kontraktionsfähigkeit beeinflusst (Angulo-Urarte et al., 2018). Hier fehlt jedoch noch ein tieferes Verständnis dafür, wie genau der Signalweg der PI3-Kinase α die Bewegungen von Endothelzellen koordiniert und wie und wo die Funktion der Kinase in die mechanistischen Prozesse der Entwicklung multizellulärer Blutgefäße integriert wird.
Diese Studie untersucht die Rolle der PI3-Kinase α in der Entwicklung des Blutkreislaufsystems und, im Besonderen, während der Bewegung der Zellen in der Genese multizellulärer Gefäße. Sie analysiert dafür die kardiovaskuläre Entwicklung von Embryonen des Zebrabärblings, in denen das Gen für die katalytische Untereinheit der PI3-Kinase α, pik3ca, ausgeschaltet wurde. Dabei werden vielfältige und hochentwickelte Möglichkeiten der Live-Mikroskopieverfahren genutzt, die nur der Zebrabärbling bietet.
Ähnlich wie in der Maus zeigen Zebrabärbling-Embryos nach Verlust der beiden pik3ca Gene Defekte in der kardiovaskulären Entwicklung und Letalität nach 6-7 Tagen nach der Befruchtung. Interessanterweise weisen dabei unterschiedliche Teile des Blutkreislaufssystems unterschiedliche Effekte nach Verlust der PI3-Kianse α auf; eine Beobachtung, welche bereits in vorherigen Studien in der Maus und in menschlichen Patienten mit genetischen Erkrankungen gemacht wurde. So zeigt der kaudale Venenplexus der mutanten Fischembryonen ventrale Hyperlasie und erhöhte Sprossaktivität, während der Durchmesser der dorsalen Aorta abnimmt, was auf verminderte Zellzahl und verringerte Proliferationsaktivität der Zellen hindeutet. Zusätzlich zu diesen Beobachtungen zeigt auch der Transkriptionsfaktor FOXO unterschiedliche Relokalisationsverhalten in Endothelzellen unterschiedlichen Ursprungs bei akuter Inhibition der PI3-Kinase α.
In den Gefäßen des Rumpfes beeinträchtigt der Verlust von PI3-Kinase α die Umlagerungen und Bewegungen der Endothelzellen innerhalb der Gefäße. Die genauere Analyse der Zellverhalten während der Umlagerungsphase der Entstehung multizellulärer Gefäße in den pik3ca mutanten Embryonen offenbart eingeschränkte Interkalationsfähigkeiten, verschlechterte Zell-Zell-paarung und eine Destabilisierung trizellulärer Kontakte. Des Weiteren enthüllt die spatiotemporale Analyse der PI3-Kinase α-Aktivität durch einen Lipid-Biosensor lokale und periodisch wiederkehrende Aktivität an den distalen Polen der endothelialen Zell-Zell-Grenzen. Diese Oszillationen überlappen sowohl in der Lokalisierung als auch in der Periodizität mit Junction-based lamellipodia (JBL), dem steuernden Mechanismus der Zellgrenzbewegung im Wirbeltierendothel (Paatero et al., 2018). Dies lässt auf einen funktionalen oder regulatorischen Zusammenhang zwischen PI3-Kinase α und JBL schließen.
Zusammengenommen zeigen meine Ergebnisse eine kritische Rolle der PI3-Kinase α in den Bewegungen der Endothelzellen während der Entwicklung multizellulärer Gefäße, potenziell durch die lokale Regulation der zytoskeletalen Kontraktion an den Zell-Zell-Grenzen. Ich konnte zeigen, dass PI3-Kinase α Funktionen in verschiedenen Teilen des Blutgefäßsystems hat, indem sie mit jeweils anderen Signalwegen interagiert. Schlussendlich zeigt eine genaue räumliche und zeitliche Auflösung die hochlokalisierte und oszillierende Aktivität der PI3-Kinase α an den distalen Grenzen der Endothelzellen, wo sie als eine treibende Kraft in der Formation und Funktion von JBL in der Entwicklung multizellulärer Blutgefäße anzusiedeln ist.
Advisors: | Affolter, Markus and Belting, Heinz -Georg |
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Committee Members: | Mango, Susan Elizabeth and Ober, Elke |
Faculties and Departments: | 05 Faculty of Science > Departement Biozentrum > Growth & Development > Cell Biology (Affolter) 05 Faculty of Science > Departement Biozentrum > Growth & Development > Cell and Developmental Biology (Mango) |
UniBasel Contributors: | Affolter, Markus and Belting, Heinz -Georg and Mango, Susan Elizabeth |
Item Type: | Thesis |
Thesis Subtype: | Doctoral Thesis |
Thesis no: | 15497 |
Thesis status: | Complete |
Number of Pages: | 195 |
Language: | English |
Identification Number: |
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edoc DOI: | |
Last Modified: | 24 Oct 2024 04:30 |
Deposited On: | 23 Oct 2024 08:29 |
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