YAP1 and the Hippo Signaling Pathway Regulate Progenitor Proliferation

Abstract

The tight regulation of organ size is a prerequisite of unperturbed development of complex organisms. The molecular mechanisms determining and regulating the size of entire organisms and organs are poorly understood. The actual growth process of an organ requires stem cells, which integrate signals from pathways involved in the initiation or termination of pro-proliferative programs. Recently, the Hippo signaling pathway, with its transcriptional effector YAP1, has been discovered as a critical regulator of both organ size control and tumorigenesis, two processes with common cellular signaling mechanisms. Therefore, it is of interest to determine, how precisely Hippo signaling regulates progenitor and stem cell proliferation. The mammalian epidermis is a rapidly regenerating epithelial tissue, whose maintenance depends on the self-renewing ability of epidermal stem cells, which reside in the basal layer. Epidermal stem cells are essential for skin homeostasis and regeneration during wound repair. Interestingly, the epidermal deletion of Sav1 (WW45), a core component of the Hippo signaling protein cascade, was shown to increase the progenitor population in the basal layer of the epidermis. In this work, we provide further evidence, that the Hippo pathway, and its nuclear effector YAP1 are important for the regulation of stem cell proliferation in the epidermis. Using gain- and loss-of-function studies, we show that activation of Yap1 in the basal layer leads to a hyper-thickened epidermis, due to an expansion of the epidermal stem cell compartment, and a decrease of the suprabasal differentiated cell layers. Moreover, we demonstrate that long-term constitutive activation of Yap1 in the epidermis leads to the formation of squamous cell carcinoma-like tumors. Deletion of Yap1 (cKO) in the basal layer of the epidermis, on the other hand, causes a severe skin defect with an abnormally thin epidermis due to decreased epidermal proliferation. Further, we show, that YAP1 regulates epidermal proliferation through interaction with the TEAD transcription factors. The YAP1-S79A mutation has been shown to impair the interaction with the TEAD transcription factors. Mice expressing solely YAP1-S79A in the basal layer phenotypically resemble Yap1 cKO mice. Loss of the MST1/2 kinases, which are considered core components of the Hippo pathway, was previously shown to lead to hepatomegaly in the liver. In this work we show that loss of the MST1/2 kinases in the epidermis does not lead to a hyperproliferative phenotype as observed for epidermal Yap1 activation. This observation suggests that YAP1 might be regulated by other mechanisms in the epidermis. α-catenin is implicated in tumor suppression and cell density sensing in the skin. Our group determined a direct binding of YAP1 and α-catenin. We identify α-catenin as an upstream negative regulator of YAP1. α-catenin controls YAP1 activity and phosphorylation by modulating its interaction with 14-3-3 and the PP2A phosphatase and, therefore, regulates the proliferative function of YAP1 in keratinocytes. Together, these data identify YAP1 as a determinant of the proliferative capacity of epidermal stem cells and as an important effector of a ‘‘crowd control’’ molecular circuitry in mammalian skin. In collaboration with the Pu laboratory we further elucidate, that activation of Yap1 in the fetal heart induces cardiomyocyte proliferation. Correspondingly, Yap1 deletion causes lethal myocardial hypoplasia and impaired cardiomyocyte proliferation. The findings presented in this thesis show that in the epidermis and the heart, YAP1 is essential for proliferation and normal tissue development. Moreover, this work demonstrates the diversity of the Hippo signaling machinery in different tissues, showing that in the epidermis the core kinases MST1/2 do not regulate YAP1-mediated proliferation. Thus, it provides novel insights about the Hippo signaling pathway and may ultimately contribute to a better understanding of this pathway in both, normal physiological and disease conditions.

Die normale Entwicklung von komplexen Organismen setzt eine präzise Regulation der Organgröße vorraus. Jedoch sind die molekularen Mechanismen, welche die Größe von gesamten Organismen und einzelnen Organen bestimmen, weitgehend unbekannt. Stammzellen sind für den Wachstumsprozess eines Organs essentiell. Sie verarbeiten Signale, die pro-proliferative Expressionsprogramme aktivieren oder beenden. Es wurde kürzlich entdeckt, dass der Hippo Signalweg, einschliesslich seines transkriptionellen Coaktivators YAP1, sowohl bei der Regulation der Organgröße als auch in der Karzinogenese involviert ist, zwei Prozessen mit gemeinsamen zellulären Signalmechanismen. Daher ist es von großem Interesse herauszufinden, wie genau der Hippo Signalweg die Progenitor- und Stammzellproliferation steuert. Die Epidermis ist ein sich fortlaufend erneuerndes Epithelgewebe, welches für seinen Erhalt Stammzellen mit der Fähigkeit zur Selbsterneuerung benötigt. Epidermale Stammzellen sind sowohl für die Homöostase der Haut, als auch für die Wundheilung essentiell. Interessanterweise wurde gezeigt, dass in der Epidermis der Verlust von Sav1 (WW45), einem Kernbestandteil der Hippo Signalkaskade, zu einer Vermehrung der Progenitorpopulation in der Basalschicht führt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Hippo Signalweg und im Speziellen sein Effektor YAP1, wichtig für die Regulation der Stammzellproliferation in der Epidermis sind. Anhand von Gain-of function- und Loss-of-function-Mausmodellen, zeigen wir, dass die Aktivierung von Yap1 in der Basalschicht der Epidermis eine Hautverdickung basierend auf der Vermehrung der epidermalen Stammzellen hervorruft. Zusätzlich kommt es zu einem Verlust an suprabasalen differenzierten Schichten der Epidermis. Eine andauernde konstitutive Aktivierung von Yap1 in der Epidermis ruft zudem die Bildung von Plattenepithelkarzinom (SCC)-ähnlichen Tumoren hervor. Im Gegensatz dazu verursacht der Verlust von Yap1 (cKO) in der Basalschicht der Epidermis einen schweren Defekt der Haut. Aufgrund einer verringerten Proliferationsrate kommt es zu der Bildung einer ungewöhnlich dünnen Epidermis. Wir zeigen, dass der Co-Aktivator YAP1 die Proliferation der Epidermis durch eine Interaktion mit den TEAD Transkriptionsfaktoren reguliert. Es wurde für die YAP1-S79A Mutationsform gezeigt, dass eine Interaktion mit den TEAD Transkriptionsfaktoren nicht mehr stattfinden kann. Wir zeigen, dass der Phenotyp von Mäusen, die lediglich YAP1-S79A in der Basalschicht der Epidermis exprimieren, dem der Yap1 cKO Mäuse gleicht und einen Proliferationsdefekt aufweist. Zuvor wurde in der Leber gezeigt, dass der Verlust der MST1/2 Kinasen, die zu den zentralen Kinasen des Signalwegs gehören, zu Hepatomegalie führt. Hier präsentieren wir Ergebnisse, die belegen, dass der Verlust der MST1/2 Kinasen in der Epidermis nicht zu dem durch epidermale Yap1 Aktivierung hervorgerufenen hyperproliferativen Phenotypen führt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass YAP1 in der Epidermis durch andere Mechanismen reguliert wird. Tatsächlich stellt unsere Arbeitsgruppe eine Interaktion zwischen YAP1 und α-Catenin fest. α-Catenin fungiert als Tumorsuppressor und gibt Informationen über Zelldichte weiter. Wir identifizieren α-Catenin als negativen Regulator von YAP1. α-Catenin reguliert dabei die Aktivität und die Phosphorylierung von YAP1, indem es die Interaktion von YAP1 mit den 14-3-3 Proteinen und der Phosphatase PP2A moduliert. Hierdurch reguliert α-Catenin die proliferativen Eigenschaften von YAP1 in Keratinozyten. Zusammengefasst identifizieren diese Ergebnisse YAP1 als einen entscheidenden Faktor der proliferativen Eigenschaften von epidermalen Stammzellen, der somit bedeutend für die Homöostase der Haut ist und auch bei Krankheitsprozessen wie Krebs eine entscheidende Rolle spielen könnte. In Zusammenarbeit mit dem Pu Labor zeigen wir zudem, dass die Aktivierung von Yap1 im embryonalen Herzen zu einer vermehrten Proliferation der Kardiomyozyten führt. Entsprechend verursacht der Verlust von Yap1 eine lethale Hypoplasie des Myokards und beeinträchtigt die Proliferation der Kardiomyozyten. Die Ergebnisse dieser Arbeit in Epidermis und Herz demonstrieren die Bedeutung von YAP1 für zelluläre Proliferation und normale Gewebeentwicklung. Darüberhinaus gelingt es uns auch die gewebespezifische Vielfalt des Hippo Signalweges weiter aufzuschlüsseln. Wir zeigen, dass die Kinasen MST1/2 die YAP1-vermittelte Proliferation in der Epidermis nicht regulieren. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über den Hippo Signalweg und tragen zu einem besseren Verständnis des Signalwegs in physiologischen und pathologischen Zuständen bei.