The role of LRP2 in embryonic development of zebrafish and mouse

Abstract

LRP2 is a member of the LDL receptor gene family expressed on the apical surface of several epithelia in vertebrate organisms. In the adult, it has important functions in renal protein reabsorption and vitamin homeostasis. In the embryo, the receptor regulates forebrain formation through control of BMP4, SHH and FGF8, morphogens that form a signaling network and reciprocally regulate each other’s expression. Loss of LRP2 expression results in deregulation of forebrain signaling and holoprosencephaly. My aim was to describe potential molecular functions for LRP2 in controlling this morphogenetic network. Towards this goal, I generated and validated novel transgenic animal models: receptor deficient zebrafish lines and a LRP2 reporter mouse line. In zebrafish deficient for Lrp2, I analyzed the role of this receptor in zebrafish embryogenesis, and I compared my findings to phenotypes observed in mouse models. I uncovered that expression of Lrp2 in zebrafish embryos recapitulates spatial, but not temporal aspects of the pattern seen in mammals. Furthermore, I identified and described a novel LDL receptor family member, Lrp2b, that is unique to fish and highly homologous to Lrp2. Finally, my studies revealed that the function of Lrp2 in renal tubular clearance, but not in forebrain development, is conserved between fish and mammals. To more clearly define the role of LRP2 in mammalian forebrain development, I generated a new mouse model expressing EGFPcre under the control of the endogenous Lrp2 promoter. Using this model, I showed that the Lrp2 promoter is most active in the ventral midline cells of the forebrain. These cells show distinct morphological defects upon loss of LRP2 function, leading to impaired neuroepithelial hingepoint formation and ultimately resulting in a delay of neural tube closure. To globally assess the defects in ventral midline cells lacking LRP2, I performed microarray analysis of forebrain midline tissue from LRP2 deficient embryos and controls and identified several novel gene pathways affected in Lrp2 mutants previously not considered, such as WNT and notch signaling. Furthermore, analysis of my data showed that loss of receptor activity results in a dorsalization as well as a posteriorization of the forebrain at the expense of telencephalic identity. Taken together, my studies demonstrated that a role in forebrain development is unique to mammalian LRP2. My findings provide an important explanatory model for the consequences of LRP2 deficiency in mammalian forebrain development, thus helping to guide further studies aimed at unraveling the molecular mechanism of this critical receptor pathway.

LRP2 ist ein Mitglied der LDL-Rezeptorfamilie und wird in Wirbeltieren auf der apikalen Oberfläche zahlreicher Epithelien exprimiert. Im adulten Organismus ist LRP2 wichtig für die Reabsorption von Proteinen in der Niere, sowie für die rezeptorvermittelte Endozytose zahlreicher Vitamine und Steroidhormone. Während der Embryonalentwicklung steuert der Rezeptor die Ausbildung des Vorderhirns, indem er die Signaltransduktion durch die Morphogene BMP4, SHH und FGF8 beeinflusst. Der genetisch bedingte Verlust der LRP2 Expression im Mausmodell und in Patienten verursacht eine Störung der Vorderhirnentwicklung und führt zu Holoprosenzephalie. Ziel meiner Arbeit war es, mögliche molekulare Funktionen von LRP2 bei der Kontrolle der genannten Morphogene zu beschreiben. Ich habe zu diesem Zweck neue Tiermodelle generiert bzw. validiert: eine Rezeptor-defiziente Zebrafischlinie sowie eine LRP2 Reportermauslinie. In Lrp2-defizienten Zebrafischen habe ich die Rolle des Rezeptors in der Embryonalentwicklung untersucht. Ich konnte zeigen, dass die Expressionsdomänen von Lrp2 im Zebrafisch und in der Maus übereinstimmen, aber dass der Rezeptor im Zebrafisch zu einem deutlich späteren Zeitpunkt exprimiert wird. Desweiteren habe ich ein neues Mitglied der LDL- Rezeptorfamilie identifiziert, das nur in Fischen existiert. Dieser Rezeptor ist eng mit Lrp2 verwandt und wurde deshalb Lrp2b genannt. Meine Studien ergaben, dass die Funktion von Lrp2 bei Reabsorptionsprozessen in der Niere zwischen Fischen und Säugetieren konserviert ist, nicht aber seine Funktion bei der Vorderhirnentwicklung. Um die Rolle von LRP2 während der Vorderhirnentwicklung von Säugetieren näher zu untersuchen, habe ich ein Mausmodell generiert, in welchem EGFPcre unter der Kontrolle des endogenen Lrp2-Promotors exprimiert wird. Anhand dieses Modells konnte ich zeigen, dass die Lrp2-Promotoraktivität in den Zellen der ventralen Mittellinie des Vorderhirns am stärksten ist. In LRP2-defizienten Mäusen weisen diese Zellen morphologische Defekte auf, die die weitere Morphogenese des Neuroepithels beeinflussen und letztlich eine verzögerte Schließung des Neuralrohrs bewirken. Ich die Genexpression der Mittellinienzellen mithilfe von Microarray-Analysen untersucht und konnte zeigen, dass mehr Signalwege von dem Verlust der LRP2-Expression betroffen sind, als bisher beschrieben, so wie die WNT- und Notch-Signalwege. Außerdem zeigt meine Analyse, dass der Phänotyp LRP2-defizienter Mäuse mit einer Dorsalisierung und einer Posteriorisierung des Vorderhirns einhergeht, die eine eingeschränkte Ausbildung des Telenzephalons zur Folge hat. Zusammenfassend legen meine Ergebnisse dar, dass die Funktion von LRP2 in der Vorderhirnentwicklung auf Säugetiere beschränkt zu sein scheint. Außerdem konnte ich mithife meiner Daten ein Modell entwickeln, das die Auswirkungen des LRP2-Verlustes in Säugetieren darstellt. Somit liefert diese Arbeit die Grundlage für weitere Analysen der molekularen Funktion dieses wichtigen Rezeptors.