Regulation und Synergismus der Transkriptionsfaktoren Wt1 und Gata4 in Herz und Gonaden
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden Wechselwirkungen zwischen den Transkriptionsfaktoren WT1 und GATA4 während der Entwicklung von Herz und Gonaden untersucht. Beide Proteine konnten mittels Immundoppelfärbungen im Epikard des Herzmuskels sowie in Sertolizellen des Hodens und in Granulosazellen des Ovars nukleär kolokalisiert werden. Durch Analyse von Protein-DNA Interaktionen wurde ein WT1-induzierbares Element in einem Gata4 Enhancer identifiziert, der die gewebespezifische Expression von Gata4 im lateralen Mesoderm steuert. Damit wird ein wichtiger neuer Mechanismus für die transkriptionelle Regulation des Gata4 Gens speziell in Zellen, die vom lateralen Mesoderm abstammen, beschrieben. Diese Erkenntnisse können künftig genutzt werden, um gezielt die Funktion epikardialer Zellen, aus deren Vorläufer u.a. die Herzmuskelgefäße hervorgehen, zu beeinflussen. Obwohl die gonadale Gata4 Expression bei Wt1 Defizienz signifikant vermindert war, ließ sich eine direkte Regulation von Gata4 durch WT1 in den Gonadenanlagen nicht nachweisen. Hingegen zeigen die Untersuchungsergebnisse eindeutig, dass WT1 für die Initiierung und Aufrechterhaltung eines geschlechtsspezifischen Genexpressionsprogramms in den Gonaden von Mausembryonen beiderlei Geschlechts notwendig ist. Als potenzielle neue Zielgene von GATA4 wurden Ctnnb1, Foxl2 und Fst identifiziert. Die Experimente mit kultivierten Gonadenanlagen beweisen, dass WT1 für die Regulation der geschlechtsspezifischen gonadalen Genexpression GATA4 benötigt. Hierbei wirken beide Transkriptionsfaktoren in komplexer Weise zusammen: In den bipotenten Gonadenanlagen weiblicher Mausembryonen hemmt der Forkhead Transkriptionsfaktor FOXL2 die Promotoren Hoden-spezifischer Gene (Sf1, Sox9 und Amh), indem er die stimulierende Wirkung von WT1 neutralisiert. In den männlichen Gonadenanlagen, die kein FOXL2 enthalten, kontrolliert WT1 den Einfluss von GATA4 auf die Zielgenexpression wahrscheinlich durch eine Veränderung der Chromatinstruktur. Insgesamt liefern diese Resultate wichtige neue Einblicke in transkriptionelle Mechanismen der geschlechtesspezifischen Genexpression während der Gonadendifferenzierung. Die systematische Weiterentwicklung dieser Erkenntnisse lässt eine Verbesserung der molekularen Diagnostik und Behandlung von Gonadendysgenesien erwarten. Die Erforschung von Mechanismen zur Regulation des Erythropoietin-Rezeptors (EpoR) in myokardialen Zellen mit dem Ziel, durch eine Rekonstitution von WT1 oder GATA4 eine verbesserte Kardioprotektion zu erreichen, ist nur begrenzt gelungen. Aufgrund der Vorbefunde war ein besonderer Stellenwert von Retinsäure oder rekombinantem Erythropoietin als Substanzen, die die GATA4 Expression induzieren können, postuliert worden. In den begründenden Versuchen für die interventionellen Tierexperimente war ein positiver Effekt von Retinsäure auf die EpoR Expression nur im Embryonalstadium E11.5 nachweisbar. Es gab keine Evidenz, dass WT1 die myokardiale oder epikardiale EpoR Expression reguliert. In Myokard-Organkulturen konnte zwar eine Modulation der EpoR Expression durch einen Gata4 Morpholino (mit oder ohne Zugabe von Retinsäure) ansatzweise, jedoch nicht mit ausreichender Signifikanz erreicht werden. Die Behandlung mit rEpo führte zwar zu einer leichten Erhöhung der myokardialen Gata4 mRNA Expression, jedoch ohne die notwendige statistische Signifikanz und ohne Effekt auf Proteinebene. Letztlich konnte keine rechtfertigende Begründung für das Tierversuchsvorhaben zur Modulation der EpoR Expression in Mausmodellen mit genetisch determinierter oder exogen induzierter WT1 und/oder GATA4 Depletion abgeleitet werden. Die eingeschränkte Verfügbarkeit oder Regulation des EpoR bleibt die wahrscheinlichste Ursache, warum in klinischen Studien eine Kardioprotektion durch rEpo nicht erreicht wird. In einem alternativen Ansatz haben wir die Hypothese verfolgt, ob ein GATA-Protein (für die Hämatopoiese GATA1) eher als Bestandteil eines übergeordneten Komplexes und weniger als singulärer Faktor für die Regulation des EpoR Gens essentiell ist. Im Knochenmark konnten wir nachweisen, dass die GATA-Aktivität an die Verfügbarkeit des Transkriptionsfaktors TAL1 assoziiert ist. Weiterführende Experimente müssen nun klären, ob die Aktivierung der EpoR Expression auch im Kardiomyozyten von einem Nukleosom-Shifting abhängig ist, welches die Bindung eines übergeordneten Komplexes reguliert, der sowohl das 5’-GATA als auch das 3’-E-Box Element einbezieht.
Publications
- (2013). Transcriptional regulation by the Wilms tumor protein, Wt1, suggests a role of the metalloproteinase Adamts16 in murine genitourinary development. J. Biol. Chem. 288 (26):18811-18824
Jacobi CL, Rudigier LJ, Scholz H, Kirschner KM
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M113.464644) - (2014). A novel distal upstream hypoxia response element regulating oxygen-dependent erythropoietin gene expression. Haematologica 99 (4): e45-e48
Storti F, Santambrogio S, Crowther LM, Otto T, Abreu-Rodríguez I, Kaufmann M, Hu CJ, Dame C, Fandrey J, Wenger RH, Hoogewijs D
(See online at https://doi.org/10.3324/haematol.2013.102707) - (2014). Amine oxidase coppercontaining 1 (AOC1) is a downstream target gene of the Wilms tumor protein, WT1, during kidney development. J. Biol. Chem. 289 (35): 24452-24462
Kirschner KM, Braun JF, Jacobi CL, Rudigier LJ, Persson AB, Scholz H
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M114.564336) - (2014). Mice overexpressing human erythropoietin indicate that erythropoietin enhances expression of its receptor via upregulated Gata1 and Tal1. Haematologica 99 (10): e205-e20
Deindl P, Klar M, Drews D, Cremer M, Gammella E, Gassmann M, Dame C
(See online at https://doi.org/10.3324/haematol.2014.104844)
