BMP und SMAD Signale im kardiovaskulären System

Abstract

Der BMP/Smad-Signalweg ist an der Regulation vielfältiger Prozesse während derKardiogenese beteiligt. Aufgrund dieser Vielfalt ist der BMP-Signalweg ein mögliches Zieltherapeutischer Ansätze zur Behandlung kardiovaskulärer Erkrankungen. Bisher jedoch ist dieBedeutung vieler Faktoren der Signalkette für das embryonale und adulte kardiovaskuläreSystem unbekannt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung des Herz-spezifischen Faktors Bone Morphogenetic Protein 10 (engl., BMP10) für das kardiovaskuläre System mithilfeverschiedener, hierfür generierter transgener Mausmodelle untersucht. Es konnte gezeigtwerden, dass BMP10 ein breiteres Funktionsspektrum hat als bisher vermutet. DerWachstumsfaktor wird nicht nur, wie bisher angenommen, im embryonalen und adultenHerzen, sondern während der Embryogenese auch in den Kiemenbögen und der fötalen Leberexprimiert. Zudem zeigt BMP10 auch innerhalb des Herzens ein anderes Expressionsmuster.So wird Bmp10 sowohl im embryonalen als auch im adulten Herzen nicht nur im Myokard,sondern auch im Endokard exprimiert. Funktionsverlustanalysen ergaben, dass dieventrikuläre myokardiale Expression zwischen E8.75-E10.5 für die frühe Kardiogeneseessentiell ist, während atriales und endokardiales BMP10 für die kardiale Entwicklung undOrganhomöostase entbehrlich ist. Ferner konnte im konditionellen Mausmodell erstmals dieBMP10 Funktion im adulten Organismus untersucht und eine extrakardiale Wirkung dessekretierten Zytokins bewiesen werden. Das von atrialen adulten Myozyten sekretierteBMP10 übernimmt eine wichtige Rolle in Umbauprozessen des periphereren vaskulärenSystems. Hier befördert es die Arteriogenese nach arterieller Okklusion.Die im Rahmen der Dissertation durchgeführte Analyse des BMP/Smad-Signalwegesbeschränkte sich nicht allein auf den Liganden BMP10. Eine weiterer Zielsetzung war es,BMP/Smad-abhängige Zielgene im kardiovaskulären System in vivo zu identifizieren. Zudiesem Zweck wurde ein Mausmodell generiert, dass einen Inhibitor dieses Signalweges SMAD6 konditionell ektopisch exprimiert. Die kardiale ektopische Expression desinhibitorischen SMAD6 ermöglichte zum ersten Mal die Identifizierung BMP/Smad-sensiblerZielgene im embryonalen Herzen. Phänotypisch resultiert die negative Regulation derBMP/Smad-Signalkaskade durch SMAD6 in ventrikulären Septumdefekten, die perinatal zumTod der mutanten Mäuse führt. Microarray-basierte Analysen des Transkriptomsidentifizierten Cyr61 als BMP/Smad-abhängiges Zielgen, das bekanntermaßen für dieatrioventrikuläre Septierung essentiell ist. Ferner konnte gezeigt werden, dass SMAD6 dieExpression von MicroRNAs negativ reguliert.

The BMP/Smad signaling pathway is involved in the regulation of multiple processes during cardiogenesis and hence a potential target of therapeutic interventions to treat cardiovasculardisease. Although the principle role of BMP/Smad signaling for the cardiovascular system iswell established the specific part of many components of the signaling cascade for the adultand embryonic cardiovascular system is unknown.In this study I analyzed the impact of the cardiac specific factor bone morphogenetic protein10 (BMP10) for the cardiovascular system with the help of different generated transgenicmouse models. I demonstrated that BMP10 is involved in more processes than previouslyanticipated. Expression of Bmp10 is not only restricted to the embryonic and adult heart butalso found in the branchial arches and fetal liver. Moreover, expression of Bmp10 in the adultand embryonic heart is not restricted to the myocardium but covers also the endocardium. Byloss-of-function studies in mice I could show that the expression of Bmp10 in themyocardium between E8.75 and E10.5 is crucial for cardiogenesis, while atrial andendocardial expression of Bmp10 is dispensable for cardiac development and organhomeostasis. Interestingly, I found that BMP10 is released from the heart and plays animportant role during remodeling of the vascular system, where it acts as a positive effector ofarteriogenesis after vascular occlusion.In a further attempt to disclose the function of BMP/Smad signaling and to identifyBMP/Smad dependent target genes in vivo within the cardiovascular system I established atransgenic mouse model, based on conditional overexpression of SMAD6, a BMP/Smadinhibitor. Expression of the inhibitory SMAD6 in the embryonic heart allowed me to identifyBMP/Smad target genes that respond to relatively minor changes of the activity of theBMP/Smad signaling pathway. Microarray-based analyses of the transcriptome identifiedCyr61 as a BMP/Smad dependent target gene, which is known to be involved inatrioventricular septation. Moreover I demonstrated that SMAD6 represses generation ofmature microRNAs in the heart. Phenotypically, reduction of the activity of the BMP/Smadsignaling cascade resulted in ventricular septum defects leading to perinatal death.