Prrx1 factor controls organ positioning in vertebrates

Abstract

The majority of animals exhibit an external bilateral symmetry. However, there are numerous internal left–right (L/R) asymmetries, including the morphology and position of several organs. During development, all these asymmetries are established by complex genetic and epigenetic cascades. In vertebrates, left identity is mediated by the TGFβ family member Nodal and its downstream target Pitx2, being both transiently expressed in the left lateral plate mesoderm (LPM). This left-handed information is repressed on the right-hand side by the epithelial-mesenchymal transition (EMT) inducer Snail1. So far, it has been nuclear whether an equivalent right-handed pathway is providing instructive information to the right LPM. Recently in our lab, we have identified a right-handed pathway that drives heart looping in zebrafish. This novel pathway is regulated by a BMP-mediated asymmetric L/R activation of Prrx1a, another EMT inducer, in the LPM. Prrx1a is transiently expressed at higher levels on the right-hand side of the embryo, and its downregulation prevents heart looping and leads to mesocardia. Prrx1a drives differential cell movements leading to a leftward displacement of the cardiac posterior pole that promotes dextral looping through an actomyosin-dependent mechanism. Thus, two parallel and mutually repressed pathways exist in the left and right LPM. Activation of Nodal (on the left) and BMP (on the right) converge on the asymmetric activation of two paired-like homeodomain transcription factors, Pitx2 and Prrx1, respectively. As the left cascade has been involved in heart morphogenesis, the integration of both pathways would ultimately govern heart morphogenesis and laterality. In this thesis project, we expanded our study to understand whether this L/R asymmetric signalling pathway is conserved during evolution. Indeed, transient asymmetric distribution of Prrx1 is also evident in the chick LPM, with higher levels on the right-hand side, and downregulation of Prrx1 in the chick embryo also induces mesocardia. The asymmetric L/R Prrx1 expression in the chick is also compatible with the formation of an actomyosin- dependent mechanism. As in the fish, Prrx1 silencing caused a loss of actin fibers and of L/R morphological asymmetry. We find that this mechanism is also conserved in the mouse, where Snail1 fulfils the role of Prrx1 in the fish and chick. Furthermore, we next analysed whether Prrx1 was also important for

La mayoría de los animales muestran una simetría bilateral externa. Sin embargo, hay numerosas asimetrías internas (L/R del inglés; izquierda, Left y derecha, Right) incluyendo la morfología y posición de varios órganos. Durante el desarrollo embrıonario, todas las asimetrías se establecen mediante cascadas genéticas y epigenéticas complejas. En los vertebrados, la identidad izquierda esta mediada por Nodal, un miembro de la familia TGFβ y su gen diana Pitx2. Ambos se expresan transitoriamente en el mesodermo lateral izquierdo (LPM). Esta información izquierda se reprime en el lado derecho por el inductor de la transición epitelio-mesénquima (EMT) Snail1. Hasta ahora, no se conocía si existía una vía de señalización equivalente que proporcionase información instructiva también en el LPM derecho. Recientemente, hemos identificado en nuestro laboratorio una vía de señalización derecha que regula la posición del corazón en el pez cebra. Esta nueva vía está mediada por la activación asimétrica (L/R) de otro inductor de EMT (Prrx1a) mediada por BMP. Prrx1a se expresa transitoriamente de manera asimétrica, con niveles más elevados en el lado derecho del embrión, y su represión impide el giro del corazón e induce mesocardia. Prrx1a dirige movimientos celulares diferenciales que llevan a un desplazamiento hacia la izquierda del polo cardiaco posterior, lo cual promueve un giro dextrógiro por un mecanismo dependiente de actomiosina. Por tanto, existen dos vías de señalización paralelas y mutuamente reprimidas en los mesodermos laterales (LPM) izquierdo y derecho. La señalización de Nodal (en la izquierda) y de BMP (mayor a la derecha) converge en una activación asimétrica de dos factores de transcripción que contienen el dominio “paired-like”, Pitx2 y Prrx1, respectivamente. Como la cascada de señalización izquierda se ha involucrado en la morfogénesis del corazón, la integración de ambas vías gobierna la morfogénesis y la lateralidad del corazón. En este proyecto de Tesis hemos expandido nuestro estudio para entender si estas vías de señalización asimétricas L/R se han conservado en la evolución. De hecho, la distribución asimétrica de Prrx1 se conserva en el LPM del embrión de pollo con unos niveles más altos en el lado derecho, y la bajada de la expresión de Prrx1 en el pollo también induce mesocardia. La función de Prrx1 en el pollo es también compatible con un mecanismo dirigido por actomiosina. Como en el pez, el silenciamiento de Prrx1 causa una pérdida de fibras de actina y de la asimetría L/R. Hemos encontrado que este mecanismo se conserva también en el ratón donde Snail1 realiza el papel de Prrx1 en el pez y en el pollo. Además, hemos analizado si Prrx1 es también importante para el posicionamiento asimétrico de otros órganos. Mostramos que la reducción de la expresión de Prrx1a también afecta el giro normal del intestino y afecta la posición asimétrica del intestino, el hígado y el páncreas en el pez cebra, produciendo animales en los que tanto el corazón como los órganos endodérmicos permanecen en la línea media. Por tanto, proponemos que una transición epitelio-mesénquima diferencial, más prominente en el lado derecho produce fuerzas asimétricas que regulan la lateralidad de los órganos en los vertebrados.