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Das nephrogenetische Potential der Transkriptionsfaktoren osr1, osr2, hnf1b, lhx1 und pax8 in Xenopus animalen Kappen und ihre Vernetzung in der Nephrogenese

Drews, Christiane

Die frühen nephrogenetischen Transkriptionsfaktoren osr1, osr2, hnf1b, lhx1 und pax8 sind die ersten Gene, die in der Pronephrosanlage exprimiert werden. Über die Induktion der Nephrogenese und die regulatorische Verknüpfung dieser fünf Faktoren ist allerdings nur wenig bekannt. Da die Behandlung von undifferenzierten Explantaten des animalen Pols (animale Kappe) von Xenopus mit Aktivin A und Retinsäure die Pronephrosdifferenzierung induziert, stellte dieses System eine geeignete Methode dar, um in der vorliegenden Arbeit die Signalwege der Nephrogenese näher zu untersuchen.

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Expressionskinetik der frühen nephrogenetischen Transkriptionsfaktoren in mit Aktivin A und Retinsäure behandelten animalen Kappen untersucht. Die frühe Induktion von osr1, osr2, hnf1b und lhx1 in behandelten animalen Kappen lässt drauf schließen, dass diese Faktoren direkte Zielgene von Aktivin A und Retinsäure sind, während für das später exprimierte pax8 eine indirekte Aktivierung angenommen werden kann. Für Aktivin A konnte gezeigt werden, dass es allein osr2 und lhx1 nach drei Stunden induzieren kann. Im Gegensatz dazu kann Retinsäure allein keinen der fünf Faktoren induzieren. Die Mirkoarrayanalyse induzierter animaler Kappen nach 1,5 Stunden ergab die Induktion der Genexpression vieler bekannter Zielgene von Aktivin A sowie wichtiger Faktoren der Nephrogenese und Mesodermentwicklung.

Die frühe Expression der fünf Transkriptionsfaktoren und ihre Beeinflussung der Pronephrosentwicklung, wenn sie überexprimiert werden, lässt vermuten, dass diese Faktoren überexprimiert möglicherweise die Nephrogenese in animalen Kappen induzieren können. Die Überexpression von OSR1, HNF1B in Kombination mit Aktivin A oder die gemeinsame Überexpression von LHX1 und PAX8 führte in animalen Kappen jedoch nicht zur Pronephrosentwicklung. Auch die Expression der anderen frühen nephrogenetischen Transkriptionsfaktoren blieb nahezu unbeeinflusst.

Die genauere Analyse von HNF1B überexprimierenden animalen Kappen ergab die Induktion von osr1, osr2, hnf1a, hnf4a, wnt11b, gdnf und tfe3 nach sieben Stunden. Die Induktion von pax2 und esd sowie die Herrunterregulation von rbms1, fgfr4c und gsc nach 14 Stunden lässt sekundäre Effekte vermuten. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass lhx1 zusätzlich zur bekannten Regulation durch Aktivin A über ein Aktivin responsives Element auch durch HNF1B über eine funktionelle HNF1 Bindestelle im lhx1 Promotor reguliert wird.

Insgesamt konnte durch diese Arbeit ein genauerer Einblick in das regulatorische Netzwerk der fünf frühen nephrogenetischen Transkriptionsfaktoren in der Nephrogenese im Xenopus Embryo gegeben werden, indem gezeigt wurde, dass osr1, osr2 und hnf1b vermutlich über eine positive Feedback-Schleife reguliert sind, und lhx1 direkt durch hnf1b über eine HNF1 Bindestelle aktiviert wird.

The early nephrogenic transcription factors osr1, osr2, hnf1b, lhx1 and pax8 are the first genes expressed in the pronephros anlage. However, the pathway inducing nephrogenesis and the network of these factors are poorly understood. Treatment of the undifferentiated animal pole explant (animal cap) of Xenopus with activin A and retinoic acid induces pronephros formation providing a powerful tool to analyze key molecular events in nephrogenesis. First the expression kinetics of the early nephrogenic transcription factors in activin A and retinoic acid treated animal caps were analyzed. In treated animal caps, the early expression of osr1, osr2, hnf1b and lhx1 suggests that these factors are direct target genes of activin A and retinoic acid, whereas pax8 expression occurs later implying an indirect activation. Activin A alone is able to induce osr2 and lhx1 after three hours treatment in animal caps while retinoic acid fails to induce any of these nephrogenic transcription factors. The microarray analysis of induced animal caps after 1.5 hours showed the induction of genes known to be target genes of activin A and additionally of important factors of nephrogenesis and of mesoderm development. The early expression of the five transcription factors and their interference with pronephros development when overexpressed in embryos suggest that these factors potentially induce nephrogenesis upon expression in animal caps. But no pronephros development is achieved by either overexpression of OSR1, by HNF1B injection with activin A treatment, or the combined application of LHX1 and PAX8, nor was the expression of the other early nephrogenic transcription factors influenced. The specific analysis of HNF1B overexpressing animal caps revealed the induction of osr1, osr2, hnf1a, hnf4a, wnt11b, gdnf and tfe3 after seven hours. The induction of pax2 and esd as well as the downregulation of rbms1, fgfr4c and gsc after 14 hours indicates secondary effects. Furthermore an HNF1 binding site in the lhx1 promoter region functional in cell culture as well as in embryonic cells of Xenopus was identified, thus extending the known activin A regulation of the lhx1 gene via an activin A responsive element. This study using animal cap assays provided insight into the regulatory network of the early transcription factors in pronephros development by showing the regulation of osr1, osr2 and hnf1b via a positive feedback loop and the direct activation of lhx1 by hnf1b via an HNF1 binding site.

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Citation style:

Drews, Christiane: Das nephrogenetische Potential der Transkriptionsfaktoren osr1, osr2, hnf1b, lhx1 und pax8 in Xenopus animalen Kappen und ihre Vernetzung in der Nephrogenese. 2011.

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