Esm1 modulates spinal cord vascularization in Vegfaa gain-of-function zebrafish models

Die Netzwerke aus Gefäßen und Nerven sind in der Entwicklung vom Embryo zum ausgewachsenen Organismus sowie in der Regeneration nah miteinander verbunden. Beide Geflechte interagieren durch wechselseitige Kommunikation mit diffusionsfähigen Molekülen, welche für physiologische Funktionen wichtig sind.
Während der frühen Zebrafischentwicklung können sich unter bestimmten Bedingungen frühzeitig ektopische Blutgefäße auf Hohe des Rückenmarks bilden, was molekulare Wechselwirkungen zwischen dem sich entwickelnden peripheren Nervensystem und dem umgebendem vaskulären Netzwerk demonstriert. ... mehrDer Phänotyp der übermäßigen Blutgefäßbildung offenbarte eine Art von angiogener Sprossung, auch „tertiäre Sprossung“ genannt, welche durch den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (Vegf) aa/Kdrl Signalweg reguliert wird. Der Beginn und Ausmaß der Rückenmarksneugefäßbildung wird durch eine bimodale Anpassung von Vegfaa und der löslichen Form seines Lockrezeptors Flt1 im neuralen Gewebe kontrolliert. In flt1 Zebrafischmutanten ist unter anderem ist das Endothelzell-spezifische Molekül 1 (esm1) während dieses Prozesses signifikant dereguliert. ESM1 ist ein Proteoglykan, welches in seiner Struktur besonders ist. Es ist in verschiedenen pathologischen Konditionen des vaskulären Systems hochreguliert und spielt eine Rolle in angiogenen Prozessen. Seine Funktion mit Bezug auf vaskuläre Umformung ist allerdings immer noch schwer definierbar.
Das Ziel dieser Untersuchungen ist Einsicht in die Rolle von Esm1 bei der Umgestaltung der vaskulären Architektur des Zebrafischrumpfes zu bekommen. Zunächst wurde die Genexpression von esm1 quantitativ in Modellen mit erhöhter Vegfaa Bioverfügbarkeit in Stadien der übermäßigen Sprossung analysiert. Das räumliche Expressionsmuster wurde mittels BAC Reporterkonstrukten und in situ Hybridisierungen während der frühen Zebrafischentwicklung untersucht. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von verschiedenen Expressionsniveaus von esm1 auf das vaskuläre Muster im Wildtyp und in Vegfaa Überexpressionsmodellen ermittelt.
Esm1 war in sich entwickelnden Blutgefäßen während der Bildung des Zebrafischrumpfes aktiv und scheint gezielt in arteriellen Endothelzellen und in einer Untergruppe von Neuronen im Rückenmark exprimiert zu sein. Im Wildtyp hatten Veränderungen von esm1 keinen Einfluss auf das Gefäßmuster, während sich in Modellen mit Vegfaa Überexpression die Rückenmarksgefäßneubildung jedoch übereinstimmend mit der Esm1 Verfügbarkeit verändert. Demnach ist Esm1 ein Modulator des Vegfaa/Kdrl Signalweges, in dem es das Niveau und den Gradienten von Vegfaa in der extrazellulären Matrix im Zebrafisch reguliert. Des Weiteren scheint esm1 Zellproliferation entgegenzuwirken, was seiner Funktion als Proteoglykan zugeschrieben werden kann.

The vascular and neuronal network are closely associated throughout embryonic development, in adulthood and during tissue regeneration. Both tissue meshes interact through reciprocal cross-talk involving diffusible molecules, thus being important for physiological functions in both domains.
Ectopic blood vessels are prematurely formed at the level of the spinal cord under certain conditions during early zebrafish development, thus demonstrating molecular cross-talk between the developing peripheral nervous system and the surrounding vascular network. This hyperbranching phenotype revealed a type of angiogenic sprouting form termed “tertiary sprouting” and is regulated by Vascular Endothelial Growth Factor (Vegf) aa/Kdrl signaling. ... mehrThe onset and extent of spinal cord vascularization is controlled via bimodal adjustment of Vegfaa and the soluble form of its decoy receptor Flt1 in the neuronal tissue. The endothelial cell-specific molecule 1 (esm1), among others, was significantly deregulated during this process in flt1 zebrafish mutants. ESM1 is a structurally distinctive secreted proteoglycan upregulated during various pathological conditions of the vascular system and is implied a role in angiogenic processes. However, its function during vascular remodeling remains elusive.
This project has the objective to get insight into the role of Esm1 in remodeling of the vascular architecture of the zebrafish trunk. First, esm1 gene expression was quantitatively analyzed in models with increased Vegfaa bioavailability during stages of hypersprouting. Its spatial expression pattern was investigated using a BAC promoter-reporter construct and whole mount in situ hybridization during early zebrafish development. In addition, alterations in the trunk vascular pattern were analyzed when esm1 levels were varied in the wildtype and Vegfaa gain-of-function models.
Esm1 was active in developing blood vessels during formation of the trunk vasculature in zebrafish embryos and may be specifically expressed in arterial endothelial cells and in a subset of neurons in the spinal cord. In the wildtype, changes in esm1 levels did not affect the vascular architecture. However, in Vegfaa-gain-of-function scenarios, spinal cord vascularization is altered concurrent to Esm1 abundance. Accordingly, Esm1 is a modulator of the Vegfaa/Kdrl signaling cascade by regulating the levels and gradient of Vegfaa in the extracellular matrix in the zebrafish. Moreover, esm1 seems to have an anti-proliferative effect on endothelial cells attributed to its function as a proteoglycan.