Identifying regulators of lung epithelial cell differentiation by using a forward genetic screening approach in mouse

  • The lung comprises more than 40 different cell types, from epithelial cells to resident mesenchymal cells. These cells arise from the foregut endoderm and differentiate into specialized cell types that form the respiratory and conducting airways, and the trachea. However, the molecular pathways underlying these differentiation processes are poorly understood, and may be relevant to pathological conditions. According to the World Health Organization (WHO), while the respiratory disease rate is increasing, limited treatment and therapies are available. Thus, there is a growing need for new treatment strategies and alternative therapies. Various in vivo and in vitro studies in the model organism mus musculus have already provided valuable information on lung cell lineages and their differentiation and/ or dedifferentiation during development and pathological conditions. However, there remain many questions regarding the key regulators and molecular machinery driving lung cell differentiation and underlying lung progenitor/stem cell biology. Aiming to develop new animal models for lung diseases, we used a forward genetic careening approach, which provides an unbiased method for identifying genes with important roles in lung cell differentiation, and thus probable contributors to pathological conditions. We conducted an N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) mutagenesis screen in mice and used several histological and immunohistochemical approaches to identify and isolate mutants, focusing on mutations associated with cell differentiation rather than those affecting early development and patterning of the respiratory system. Thus, we screened for phenotypes in the respiratory system of pups from the F2 generation at postnatal day 7 and 0 (P7; P0). I specifically screened 114 families. Each F1 male animal is the founder of 5 to 6 F2 female daughters. For each family, at least 4 F2 females per male founder were analyzed. In total, I screened 630 litters at P7 and P0 with 7 pups on average for each litter. As a result of this extensive screening, 11 different phenotypes in 42 different F2s were discovered at primary screen and later just 2 phenotypes recovered in F3 generation of identified carriers. To identify the causative genes for each of these phenotypes, whole exome sequencing will be conducted in the future to identify recurring SNPs; these can subsequently be linked causatively to the resultant phenotype(s) via complementation studies. In turn, these linkages would enable the creation of mutant mice using CRISPR/Cas9 genomic engineering, which would be invaluable to the further study of respiratory development and disease.
  • Das Atmungssystem spielt eine wichtige Rolle in der Evolution terrestrischer Lebewesen. Die Lunge umfasst mehr als 40 verschiedene Zellarten, angefangen bei Epithelzellen bis zu residenten Mesenchymzellen. Diese Zellen stammen aus dem Vorderdarmentoderm im Embryonalstadium 9.5d und differenzieren in spezialisierte Zelltypen, die den Atmungsapparat ausbilden. Das komplette Atmungssystem setzt sich zusammen aus den proximal gelegenen zuführenden Luftröhren und dem distal gelegenen Alveolarraum, in welchem der Gasaustausch stattfindet. Verschiedenste in-vivo und in-vitro Studien am Modellorganismus mus musculus (Maus)haben schon wertvolle Informationen über Lungenzellabstammung und ihre Differenzierung bzw. Dedifferenzierung während der Entwicklungsphase unter pathologischen Bedingungen gezeigt. Jedoch sind die molekularen Wege, denen diese Differenzierungsprozesse unterliegen, kaum bekannt und könnten auch eine Rolle für pathologische Bedingungen spielen. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind nur begrenzte Möglichkeiten der Behandlungen und Therapien verfügbar, während die Anzahl der Atemwegserkrankungen stetig ansteigt. Für die meist tödlich verlaufenden und am weitesten verbreiteten Lungenerkrankungen wie die Zystische Fibrose (CF), COPD (chronic obstructive pulmonary disease), Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF) und Lungenkrebs ist im Verlauf keine weitere Behandlung mehr möglich als die Lungentransplantation. Diese Methode ist natürlich beschränkt einsetzbar wegen fehlender Organe und der Immunreaktion, die oftmals zur Abstoßung des transplantierten Organs führt. Die Überlebensrate von Patienten mit Organtransplantation beträgt 4,6 Jahre („What are the risks of lung transplant“). Deshalb besteht eine immer größere Notwendigkeit nach neuen Medikamenten und alternativen Therapien. Die Entwicklung neuer Therapien wird angekurbelt durch die Entdeckung neuer wichtiger Faktoren, die involviert sind in die pathologische und physiologische Lungenzelldifferenzierung. Bedingt durch die komplexen anatomischen Strukturen der Lungenorgane und die Einbeziehung unterschiedlichster Zelllinien in die Entwicklung und Aufrechterhaltung des Atmungsapparates wären in vivo Studien die beste Option. Um dies zu erreichen, wurden schon viele Anstrengungen unternommen und verschiedenste Tiermodelle erstellt. Tiermodelle stellen das ideale Arbeitsgerät dar, um diese Innovationen voranzutreiben. So gesehen, gibt es zum Beispiel für Cystic Fibrosis (CF) ungefähr 11 CF –Mausmodelle. Die meisten dieser Modelle sind gegen das cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) Gen gerichtet. Aber auch diese Modelle sind nicht optimal (Mall, Grubb, Harkema, O'Neal, & Boucher, 2004).

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Metadaten
Author:Ziba Jaberansari
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-413554
Title Additional (German):Die Identifizierung der Regulationsmechanismen der Lungenzelldifferenzierung durch eine vorwärts-gerichtete-Screeningmethode in Mäusen
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Didier StainierORCiD, Anna Starzinski-Powitz
Advisor:Didier Stainier, Anna Starzinski-Powitz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/07/26
Year of first Publication:2016
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2016/07/11
Release Date:2016/07/28
Page Number:165
HeBIS-PPN:385179898
Institutes:Biowissenschaften / Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht