De BMP-SMAD1/5 gemedieerde signaalweg in postnatale lymfangiogenese

Jeroen Vanderlinden
SMAD1/5 zijn noodzakelijke eiwitten tijdens  de lymfevatontwikkeling na de geboorteElk dierlijk organisme ontwikkelt zich uit één cel. Vanuit deze cel ontstaan verschillende organen waaronder het lymfevatsysteem. Het lymfevatsysteem heeft, net zoals het bloedvatsysteem, een transportfunctie. Zo staat het lymfatisch systeem in voor de drainage van weefselvocht en het transport van vetten en immuuncellen. Indien het lymfevatsysteem onderontwikkeld is, kan dit leiden tot enkele aandoeningen zoals vochtopstapeling, obesitas en immuunziekten.

De BMP-SMAD1/5 gemedieerde signaalweg in postnatale lymfangiogenese

SMAD1/5 zijn noodzakelijke eiwitten tijdens  de lymfevatontwikkeling na de geboorte

Elk dierlijk organisme ontwikkelt zich uit één cel. Vanuit deze cel ontstaan verschillende organen waaronder het lymfevatsysteem. Het lymfevatsysteem heeft, net zoals het bloedvatsysteem, een transportfunctie. Zo staat het lymfatisch systeem in voor de drainage van weefselvocht en het transport van vetten en immuuncellen. Indien het lymfevatsysteem onderontwikkeld is, kan dit leiden tot enkele aandoeningen zoals vochtopstapeling, obesitas en immuunziekten. In het gastlaboratorium werd aangetoond dat SMAD1- en SMAD5-eiwitten een belangrijke rol spelen in een moleculaire signaalweg die kritisch is voor de lymfevatontwikkeling bij de muis kort na de geboorte.

Inleiding tot het lymfevatsysteemHet lymfevatsysteem bestaat uit lymfevaten en lymfoide organen waar lymfe doorheen stroomt. Het lymfevatsysteem vervult drie belangrijke functies. Het draineert overtollig weefselvocht tussen de cellen en transporteert dit naar de bloedcirculatie. Verder worden vetten uit de darm door de lymfevaten opgenomen en getransporteerd naar de bloedvaten. Tot slot worden ook geactiveerde immuuncellen getransporteerd naar de lymfeknopen waar er een immunologische reactie ontstaat tegen pathogenen zoals bacteriën. Lymfe bestaat dus uit vocht, vetten en immuuncellen.

Transport van lymfe gebeurt in de lymfevatenDe kleinste lymfevaten, waar de opname van vocht, vetten en cellen plaatsvindt, worden de lymfecapillairen genoemd. Meerdere lymfecapillairen vloeien samen tot een collecterend lymfevat. De collecterende lymfevaten transporteren op hun beurt lymfe naar de lymfeknopen en het bloedvatsysteem.

Het nut van lymfevatkleppen tijdens het transport van lymfeHet transport van lymfe in de collecterende lymfevaten gebeurt slechts in één richting. Dit is mogelijk door de aanwezigheid van lymfevatkleppen. De lymfevatkleppen bestaan uit twee klepbladen en voorkomen de terugvloei van lymfe naar de weefsels. Als lymfe in de verkeerde richting stroomt, sluiten de lymfevatkleppen zich.

De ontwikkeling van lymfevatkleppenDe ontwikkeling van lymfevatkleppen start al vroeg in de ontwikkeling van het lymfevatsysteem. De lymfevatklepontwikkeling kan verdeeld worden in vijf fasen, namelijk  de initiatiefase, territoriumfase, formatiefase, maturatiefase en de onderhoudsfase (figuur 1).

In de eerste lymfevaten zal er al heel snel lymfe stromen zonder de aanwezigheid van lymfevatkleppen. Hierdoor ontstaan er turbulente lymfestromingen in de lymfevaten. Deze turbulente stroming zet de lymfevatwandcellen aan om eiwitten te produceren die nodig zijn om de cel te doen differentiëren. Dit proces is kenmerkend voor de initiatiefase. Vervolgens blijft het differentiatieproces niet beperkt tot één cel, maar zullen meerdere cellen differentiëren in de territoriumfase.  Uiteindelijk zal er een vernauwing in de lymfevatwand ontstaan, te zien als een ringvormige structuur. Deze structuur wordt gevormd door een groot aantal cellen die differentiëren tot een lymfevatklep in de formatiefase. Vervolgens zal deze groep cellen verder uitgroeien tot twee aparte klepbladen in de maturatiefase. In deze fase begint ook de bulbus zich te ontwikkelen. De bulbus is een verbreding in de lymfevatwand ter hoogte van de lymfevatklep. In de laatste fase, de onderhoudsfase, is de lymfevatklep met de bulbus volledig ontwikkeld.

Indien de lymfevatkleppen onvoldoende functioneel zijn, zal er een vochtopstapeling (lymfeoedeem) in de weefsels ontstaan. 13,3% van de bevolking leidt aan lymfeoedeem en vanaf een leeftijd van 60 jaar is het aantal nog groter, 54%.

De rol van BMP en SMAD1/5 tijdens de lymfevatontwikkelingEiwitten, zoals het bot morfogenetisch proteïne (BMP), liggen mee aan de basis van het differentiatieproces van verschillende celtypes. De BMPs worden herkend door receptoren die aanwezig zijn op de celmembraan van cellen. Na binding van BMP op deze receptor wordt de receptor geactiveerd. Deze receptor zal op zijn beurt andere eiwitten activeren zoals R-SMADs waaronder SMAD1 en SMAD5. Deze SMADs zullen vervolgens een complex vormen en in de celkern terechtkomen. In de celkern beïnvloeden SMAD-complexen de activatie van verschillende genen waaronder genen die belangrijk zijn voor de ontwikkeling van verschillende organen.

De BMP-signaalweg tijdens de ontwikkeling van lymfevatkleppenOm de lymfevatklepontwikkeling te onderzoeken werd de huismuis gebruikt als proefdiermodel. Doordat deze huismuis genetisch gemodificeerd is, zullen cellen die BMP-signalering ondergaan, ook het groen fluorescent proteïne (GFP) produceren. Doordat GFP gemakkelijk detecteerbaar is, wordt GFP gebruikt als een verklikker van de BMP-SMAD-signaalweg. Vervolgens werden de lymfevaten in het mesenterium, een vlies rond de darmen, onderzocht in de eerste twee weken na de geboorte van de huismuis.

Uit deze resultaten is gebleken dat de SMAD1/5-signaalweg ook actief is ter hoogte van de lymfevatkleppen. Opmerkelijk bleek deze signaalweg aanwezig te zijn in een zeer beperkt aantal cellen van de lymfevatklep. Mogelijk zijn juist deze cellen verantwoordelijk voor de uitgroei van twee klepbladen. Ook tijdens de maturatiefase is de SMAD1/5-signalering vooral aanwezig in de klepbladen. In de onderhoudsfase verandert dit patroon abrupt. De SMAD1/5-signalering is dan nog nauwelijks aanwezig in de klepbladen maar komt dan voor  in de ontwikkelende bulbus.

Wat is het effect als SMAD1/5-activiteit uitgeschakeld wordtBij de huismuis werden SMAD1/5 geïnactiveerd door een genetische modificatie in Smad1/5. Hiervan waren de eerste gevolgen al macroscopisch waarneembaar . Twee derde van de mutante pups vertoonden een ontwikkelingsstoornis zoals minder haargroei, een kleinere lichaamsgrootte en een schilferende huid.

Het effect van inactieve SMAD1/5-eiwitten is ook in het lymfevatsysteem waarneembaar, met name tijdens de lymfevatklepontwikkeling. Pups met een SMAD1/5-deficiëntie vertoonden een klepontwikkelingsachterstand. Het effect van deze klepontwikkelingsachterstand op de werking van het lymfevat-systeem werd onderzocht door de vetopname te onderzoeken. Hiervoor werd een vetrijke substantie toegediend aan de pups. Bij gezonde pups was 75% van de lymfevatlengte in het mesenterium gevuld met vetten terwijl dit bij mutante pups 52% was (figuur 2).

ConclusieKort na de geboorte van de huismuis is de BMP-SMAD1/5-signaalweg kritisch voor de lymfevatklepontwikkeling. Opmerkelijk is deze signaalweg dynamisch en slechts in een beperkt aantal cellen in de lymfevatregio aanwezig. Indien SMAD1/5 niet functioneel zijn, heeft dit grote gevolgen voor de lymfevatontwikkeling. Naast uiterlijke ontwikkelingsstoornissen, toont onze data ook aan dat de lymfevatklepbladen zich niet goed ontwikkelen en er een ontwikkelingsachterstand is. Hierdoor zijn de lymfevaten minder functioneel wat kan leiden tot verschillende aandoeningen.

Onderontwikkeling van het lymfevatsysteem is bij verschillende aandoeningen vastgesteld. Toch is er nog steeds te weinig gekend over lymfatische aandoeningen en maakt dit fundamenteel onderzoek naar de lymfevatontwikkeling zo belangrijk.

Bibliografie

1.        Tammela T, Alitalo K; Lymphangiogenesis: Molecular Mechanisms and Future Promise. Cell. 2010;140(4):460–76.

2.        Drake CJ, Fleming P ; Vasculogenesis in the day 6.5 to 9.5 mouse embryo. Blood. 2000;95(5):1671–9.

3.        Neufeld S, Planas-Paz L, Lammert E; Blood and lymphatic vascular tube formation in mouse. Semin Cell Dev Biol [Internet]. Elsevier Ltd; 2014;31:115–23. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.semcdb.2014.02.013

4.        Michael Schuenke, Erik Schulte US; General Anatomy and Musculoskeletal System. Thieme; 2011. p560.

5.        Zimmermann KA; Lymphatic System: Facts, Functions & Diseases [Internet]. Feb 08. 2013 [cited 2015 Apr 14]. Available from: http://www.livescience.com/26983-lymphatic-system.html

6.        Willard-Mack CL; Normal structure, function, and histology of lymph nodes. Toxicol Pathol. 2006;34(5):409–24.

7.        Alcamo, I. E., Bergdahl J; Anatomy Coloring Workbook. 2nd ed. New York: The Princeton Review; 2003. p291.

8.        Bazigou E, Makinen T; Flow control in our vessels: Vascular valves make sure there is no way back. Cell Mol Life Sci. 2013;70(6):1055–66.

9.        Planas-Paz L, Lammert E; Mechanical forces in lymphatic vascular development and disease. Cell Mol Life Sci [Internet]. 2013;70(22):4341–54. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23665871

10.      Yao L, Mcdonald DM; Developmental Aspects of the Lymphatic Vascular System [Internet]. 2014. p41-54. Available from: http://link.springer.com/10.1007/978-3-7091-1646-3

11.      Alitalo K, Tammela T, Petrova T V; Lymphangiogenesis in development and human disease. Nature. 2005;438(7070):946–53.

12.      Bowen R; Absorption of Lipids [Internet]. Aug 8,. 2007 [cited 2015 Apr 21]. Available from: http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/smallgut/absorb…

13.      Reed AL, Rowson S a., Dixon JB; Demonstration of ATP-dependent, transcellular transport of lipid across the lymphatic endothelium using an in vitro model of the lacteal. Pharm Res. 2013;30(12):3271–80.

14.      Sevick-Muraca EM, Kwon S, Rasmussen JC; Emerging lymphatic imaging technologies for mouse and man. J Clin Invest. 2014;124(3):905–14.

15.      Giammanco A, Cefalù AB, Noto D, Averna MR; The pathophysiology of intestinal lipoprotein production. Front Physiol [Internet]. 2015 [cited 2015 March 6]:1–10. Available from: http://journal.frontiersin.org/Article/10.3389/fphys.2015.00061/abstract

16.      Academie H; Langerhanscellen [Internet]. [cited 2015 Apr 21]. Available from: http://www.hartmann-academie.nl/langerhanscellen

17.      Nairn R, Helbert M; Immunology for Medical Students. 2nd ed. Mosby; 2007. p308.

18.      Coso S, Bovay E, Petrova T V.; Pressing the right buttons: Signaling in lymphangiogenesis. Blood. 2014;123(17):2614–24.

19.      Baluk P, Fuxe J, et al.; Functionally specialized junctions between endothelial cells of lymphatic vessels. J Exp Med. 2007;204(10):2349–62.

20.      School CWSH; Lymphatic and Immune System [Internet]. [cited 2015 Apr 28]. Available from: https://www.studyblue.com/notes/note/n/lymphatic-and-immune-system-revi…

21.      Science WI of; Genecards [Internet]. [cited 2015 Feb 28]. Available from: http://www.genecards.org

22.      Adams RH, Alitalo K; Molecular regulation of angiogenesis and lymphangiogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 2007;8(6):464–78.

23.      Karpanen T, Wirzenius M, et al.; Lymphangiogenic growth factor responsiveness is modulated by postnatal lymphatic vessel maturation. Am J Pathol. 2006;169(2):708–18.

24.      Beets K, Huylebroeck D, Moya IM, Umans L, Zwijsen A; Robustness in angiogenesis: Notch and BMP shaping waves. Trends Genet. 2013;29(3):140–9.

25.      Gerhardt H, Golding M, et al.; VEGF guides angiogenic sprouting utilizing endothelial tip cell filopodia. J Cell Biol. 2003;161(6):1163–77.

26.      Welti J, Loges S, Dimmeler S, Carmeliet P; Recent molecular discoveries in angiogenesis and antiangiogenic therapies in cancer. J Clin Invest. 2013;123(8):3190–200.

27.      Xu Y, Yuan L, et al.; Neuropilin-2 mediates VEGF-C-induced lymphatic sprouting together with VEGFR3. J Cell Biol. 2010;188(1):115–30.

28.      James JM, Nalbandian A, Mukouyama Y; TGFβ signaling is required for sprouting lymphangiogenesis during lymphatic network development in the skin. Development [Internet]. 2013;140(18):3903–14. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23946447

29.      Kim KE, Sung H-K, Koh GY; Lymphatic development in mouse small intestine. Dev Dyn. 2007;236(7):2020–5.

30.      Niessen K, Zhang G, et al.; The notch1-Dll4 signaling pathway regulates mouse postnatal lymphatic development. Blood. 2011;118(7):1989–97.

31.      Cummings B; The Lymphatic System [Internet]. 2006 [cited 2015 Apr 25]. Available from: http://classes.midlandstech.com/carterp/courses/bio211/chap20/chap20.htm

32.      Bazigou E, Lyons OT a, et al.; Genes regulating lymphangiogenesis control venous valve formation and maintenance in mice. J Clin Invest. 2011;121(8):2984–92.

33.      Sabine A, Agalarov Y, et al.; Mechanotransduction, PROX1, and FOXC2 Cooperate to Control Connexin37 and Calcineurin during Lymphatic-Valve Formation. Dev Cell. 2012;22(2):430–45.

34.      Saharinen P, Tammela T, Karkkainen MJ, Alitalo K; Lymphatic vasculature: Development, molecular regulation and role in tumor metastasis and inflammation. Trends Immunol. 2004;25(7):387–95.

35.      Ohla V, Bayoumi AB, Hefty M, Anderson M, Kasper EM; Complex single step skull reconstruction in Gorham’s disease - a technical report and review of the literature. BMC Surg [Internet]. 2015;15(1). Available from: http://www.biomedcentral.com/1471-2482/15/24

36.      Lymphangiomatosis & Gorham’s Disease Alliance; What is Gorham’s Disease? [Internet]. [cited 2015 Apr 29]. Available from: https://www.lgdalliance.org/patient-professional-resources/what-is-gorh…

37.      Chen D, Zhao M, Mundy G; Bone Morphogenetic Proteins. Growth Factors. 2004;22, No. 4:233–41.

38.      Schmierer B, Hill CS; TGFbeta-SMAD signal transduction: molecular specificity and functional flexibility. Nat Rev Mol Cell Biol. 2007;8(12):970–82.

39.      Monteiro RM, de Sousa Lopes SMC, Bialecka M, de Boer S, Zwijsen A, Mummery CL; Real time monitoring of BMP smads transcriptional activity during mouse development. Genesis. 2008;46(7):335–46.

40.      Nishimura R, Hata K, Ikeda F, Matsubara T; The role of SMADS in BMP signaling. Front Biosci. 2002;7, d(752-7.

41.      Massagué J, Seoane J, Wotton D; Smad transcription factors Smad transcription factors. 2005;2783–810.

42.      Tochareontanaphol C, Sinthuwiwat T, Buathong B, Thita T, Promso S, Paca-uccaralertkun S; New Mutations of the ID1 Gene in Acute Myeloid Leukemia Patients. Pathobiology [Internet]. 2015;43–7. Available from: http://www.karger.com/?doi=10.1159/000370243

43.      Shore EM, Xu M, et al.; A recurrent mutation in the BMP type I receptor ACVR1 causes inherited and sporadic fibrodysplasia ossificans progressiva. Nat Genet. 2006;38(5):525–7.

44.      Yang X, Long L, et al.; Dysfunctional Smad signaling contributes to abnormal smooth muscle cell proliferation in familial pulmonary arterial hypertension. Circ Res. 2005;96(10):1053–63.

45.      John A, Kizhakkedath P, Al-Gazali L, Ali BR; Defective cellular trafficking of the bone morphogenetic protein receptor type II by mutations underlying familial pulmonary arterial hypertension. Gene [Internet]. Elsevier B.V.; 2015;561(1):148–56. Available from: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378111915001869

46.      Moya IM, Umans L, et al.; Stalk Cell Phenotype Depends on Integration of Notch and Smad1/5 Signaling Cascades. Dev Cell. 2012;22(3):501–14.

47.      Srinivasan RS, Dillard ME, et al.; Lineage tracing demonstrates the venous origin of the mammalian lymphatic vasculature. Genes Dev. 2007;21(19):2422–32.

48.      Sousa VH, Miyoshi G, Hjerling-leffler J; Characterization of Nkx6-2-Derived Neocortical Interneuron Lineages. 2009;(July):1–10.

49.      Robertson EJ; Generalized lacZ expression with the ROSA26 Cre reporter strain. 1999;21(january):70–1.

50.      Umans L, Vermeire L, Francis A, Chang H, Huylebroeck D, Zwijsen A; Generation of a floxed allele of Smad5 for Cre-mediated conditional knockout in the mouse. Genesis. 2003;37(1):5–11.

51.      Tremblay KD, Dunn NR, Robertson EJ; Mouse embryos lacking Smad1 signals display defects in extra-embryonic tissues and germ cell formation. Development. 2001;128(18):3609–21.

52.      Feil S, Valtcheva N, Feil R; Inducible Cre Mice. Gene Knockout protocols. 2nd ed. Springer; 2009. p. 343–63.

53.      Hayashi S, McMahon AP; Efficient recombination in diverse tissues by a tamoxifen-inducible form of Cre: a tool for temporally regulated gene activation/inactivation in the mouse. Dev Biol. 2002;244(2):305–18.

54.      Walker JM; In Molecular Technologies TM Series Editor [Internet]. Life Sciences. 2009. p588. Available from: http://books.google.com/books?id=Ku2wPAAACAAJ

55.      Prasher DC; Using GFP to see the light. Trends Genet. 1995;11(8):320–3.

56.      Journal I, Joshi M, Sciences M, Medicine C; Polymerase Chain Reaction : Methods , Principles and. Int J Biomed Res [Internet]. 2010; Available from: www.ssjournals.com

57.      Wikipeadia; Polymerase chain reaction [Internet]. 2015 [cited 2015 May 24]. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Polymerase_chain_reaction

58.      Stellwagen NC; NIH Public Access. Electrophoresis. 2010;30(Suppl 1):1–14.

59.      Crisafuli F a. P, Ramos EB, Rocha MS; Characterizing the interaction between DNA and GelRed fluorescent stain. Eur Biophys J [Internet]. 2014;44(1-2):1–7. Available from: http://link.springer.com/10.1007/s00249-014-0995-4

60.      Products U-V; Next Generation Gel Imaging Using GelRedTM and GelGreenTM Dyes with the GelDoc-It® Imaging System. 44(800):3–6.

61.      Thavarajah R, Mudimbaimannar VK, Elizabeth J, Krishnamohan U; Chemical and physical basics of routine formaldehyde fixation. J Oral Maxillofac Pathol. 2012;16(3):400–5.

62.      Leeds U of; What is H&E [Internet]. [cited 2015 May 3]. Available from: http://histology.leeds.ac.uk/what-is-histology/H_and_E.php

63.      Odell ID, Cook D; Immunofluorescence Techniques. J Invest Dermatol [Internet]. Nature Publishing Group; 2013;133(1):e4. Available from: http://www.nature.com/jid/journal/v133/n1/full/jid2012455a.html\nhttp://www.nature.com/jid/journal/v133/n1/pdf/jid2012455a.pdf

64.      Robinson JP, Bs JS, Kumar GL; Immunofluorescence. Immunohistochem Stain Methods Educ Guid. 2013;(3):160.

65.      Brownlee J; Antigen-Antibody Interaction. 2007;(April):1–5.

66.      Systems R; Detection & Visualization of Antibody Binding [Internet]. [cited 2015 May 3]. Available from: http://www.rndsystems.com/ihc_detail_objectname_antibody_binding.aspx

67.      Kassis T; Dual-channel in-situ optical imaging system for quantifying lipid uptake and lymphatic pump function. J Biomed Opt. 2012;17(8):086005.

68.      Crooke AC, Morris CJO; Determination of plasma and blood volume with Evans blue dye. J Physiol. 1949;101(2):217–23.

69.      Van den Broeck W, Derore A, Simoens P; Anatomy and nomenclature of murine lymph nodes: Descriptive study and nomenclatory standardization in BALB/cAnNCrl mice. J Immunol Methods. 2006;312(1-2):12–9.

70.      Levet S, Ciais D, et al.; Bone morphogenetic protein 9 (BMP9) controls lymphatic vessel maturation and valve formation. Blood. 2013;122(4):598–607.

71.      Dunworth WP, Cardona-costa J, et al.; Lymphatic Development in Vertebrate Embryos. Natl Inst Heal. 2014;114(1):56–66.

72.      Technologies L; BODIPY ® Lipid Probes. 2003;9:3824–7.

73.      Van Damme E, Peumans W, Pusztai A; Handbook of Plant Lectins: Properties and Biomedical Applications. Wiley and sons; 1998. p458.

74.      Yoo JS, Lee S, Jow ZY, Yun P, Koh X, Chang Y; A Macrophage-Speci fi c Fluorescent Probe for Intraoperative Lymph Node Staging. Cancer Res. 2014;800(28):44–56.

75.      Publishing T-C; The Immune System: Structure and Function part 1 [Internet]. [cited 2015 Apr 20]. Available from: http://what-when-how.com/nursing/the-immune-system-structure-and-functi…

76.      Eilken HM, Adams RH; Dynamics of endothelial cell behavior in sprouting angiogenesis. Curr Opin Cell Biol [Internet]. Elsevier Ltd; 2010;22(5):617–25. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.ceb.2010.08.010

77.      Institute C& FR; Tamoxifen-induced recombination using Cre-loxP system [Internet]. 2013 [cited 2015 May 4]. Available from: http://cfri.ca/news/news/2013/08/30/the-art-of-research-a-conversation-…

 

Universiteit of Hogeschool
Farmaceutische en biologische laboratoriumtechnieken
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Deel deze scriptie