Migration of Mesodermal Cells and Axial Elongation in Mouse Embryos Depend on the Serum Response Factor

Abstract

Following the process of gastrulation, the anterior posterior axis (A-P axis) of the vertebrate embryo progressively elongates. Elongation is based on the continous generation of mesodermal tissue by a growth zone in the caudal end of the embryo, as well as the subsequent migration of newly generated mesodermal cells. The transcription factor Serum Response Factor (Srf) was previously shown to be expressed in the caudal end and nascent mesoderm of mouse, chick, and frog embryos. The goal of this work was to identify its role during axial elongation in the mouse. Conditional loss of Srf specifically in the caudal end and nascent mesoderm resulted in mouse embryos that displayed severe axis truncation. In order to identify Srf binding sites from embryonic caudal ends, I modified a streptavidin-biotin affinity-based ChIP method for in vivo application. In vivo and in vitro ChIP-Seq data were combined with gene expression data, which had been generated using caudal ends from conditional Srf KO embryos, to identify 27 genes that are directly regulated by Srf during axial elongation. These genes included both previously known and thus far unknown putative Srf target genes. Nearly all of them are associated with cell migration, mainly with the reorganization of the actin cytoskeleton, indicating that the main function of Srf in the process of axial elongation is the regulation of cell motility. In accordance with the molecular data, ex vivo migration assays revealed that Srf-deficient mesodermal cells displayed impaired migration, accompanied by dramatic differences in the organization of the actin cytoskeleton. In mutant embryos, Srf-deficient mesodermal cells accumulated in the caudal end of the embryo instead of being spread along the A-P axis, indicating that the lack of Srf results in impaired migration in vivo. The accompanied axial truncation is in agreement with previous reports which link impaired cell migration to defective axial elongation. It was previously thought that Srf was involved in mediating FGF signaling during axial elongation, however significant correlation between genes that are directly regulated by Srf and genes that are regulated by FGF signaling was not detected here. Altogether, work presented here strengthens the evidence for the requirement of mesodermal cell migration during axial elongation, and has identified Srf as a major player in executing the genetic program in the process of migration.

Nach dem Prozess der Gastrulation verlängert sich die anterior-posteriore Achse (A-P Achse) kontinuierlich. Die Verlängerung basiert auf der fortlaufenden Generierung von mesodermalem Gewebe durch eine Wachstumszone im kaudalen Ende des Embryos, sowie der anschliessenden Migration der neu entstandenen mesodermalen Zellen. Der Transkriptionsfaktor Serum Response Factor (Srf) ist im kaudalen Ende sowie im entstehenden Mesoderm von Maus-, Huhn- und Froschembryonen exprimiert. Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle von Srf während der Achsenverlängerung in der Maus zu identifizieren. Die konditionale Inaktivierung von Srf spezifisch im kaudalen Ende und dem entstehenden Mesoderm resultierte in Maus-Embryonen, die einen schwerwiegenden Achsenabbruch aufwiesen. Für die Identifizierung von Srf-Bindestellen im embryonalen kaudalen Ende habe ich eine auf Streptavidin-Biotin-Affinität beruhende ChIP-Methode modifiziert, um sie in vivo anwenden zu können. In vivo und in vitro ChIP-Seq-Daten wurden mit Expressionsdaten kombiniert, die aus kaudalen Enden der konditionalen Knockout Embryonen gewonnen wurden. Dies führte zur Identifizierung von 28 Genen, die während der Achsenverlängerung direkt von Srf reguliert werden. Diese Gene beinhalteten sowohl bereits bekannte sowie bisher unbekannte mutmaßliche Srf-Zielgene. Der Großteil dieser Gene wird mit Zellmigration assoziiert, vorallem mit dem Umbau des Aktin- Zytoskeletts, was darauf hindeutete, dass die Hauptfunktion von Srf während der Achsenverlängerung die Regulierung der Zellbeweglichkeit ist. Übereinstimmend mit den molekularen Daten wiesen Srf-defiziente mesodermale Zellen eine beeinträchtigte Migration in ex vivo-Migrationsanalysen auf, die mit drastischen Abweichungen in der Struktur des Aktin-Zytoskeletts einhergingen. In Mutanten sammelten sich Srf-defiziente mesodermale Zellen im kaudalen Ende der Embryonen an, anstatt sich entlang der A-P Achse auszubreiten, was darauf hinweist, dass das Fehlen von Srf zu einer Beeinträchtigung der Migration in vivo führt. Der damit einhergehende Achsenabbruch ist in Übereinstimmung mit Berichten, die eine beeinträchtigte Zellmigration mit ausbleibender Achsenverlängerung verbinden. Es wurde vermutet, dass Srf an der Vermittlung von FGF-Signalen während der Achsenverlängerung beteiligt ist, jedoch konnte im Rahmen dieser Arbeit keine signifikante Korrelation zwischen Srf-regulierten und FGF-regulierten Genen festgestellt werden. Diese Arbeit bestätigte, dass Migration mesodermaler Zellen notwendig für die Achsenverlängerung ist, und hat Srf als einen wichtigen Faktor für die Durchführung des dafür verantwortlichen genetischen Programms identifiziert.