Federica Fontana

• Cardiac valves are essential for the continuous and unidirectional flow of blood throughout the body. During embryonic development, their formation is strictly connected to the mechanical forces exerted by blood flow. The endocardium that lines the interior of the heart is a specialized endothelial tissue and is highly sensitive to fluid shear stress. Endocardial cells harbor a signal transduction machinery required for the translation of these forces into biochemical signaling, which strongly impacts cardiac morphogenesis and physiology. To date, we lack a solid understanding on the mechanisms by which endocardial cells sense the dynamic mechanical stimuli and how they trigger different cellular responses. In the zebrafish embryo, endocardial cells at the atrioventricular canal respond to blood flow by rearranging from a monolayer to a double-layer, composed of a luminal cell population subjected to blood flow and an abluminal one that is not exposed to it. These early morphological changes lead to the formation of an immature valveCardiac valves are essential for the continuous and unidirectional flow of blood throughout the body. During embryonic development, their formation is strictly connected to the mechanical forces exerted by blood flow. The endocardium that lines the interior of the heart is a specialized endothelial tissue and is highly sensitive to fluid shear stress. Endocardial cells harbor a signal transduction machinery required for the translation of these forces into biochemical signaling, which strongly impacts cardiac morphogenesis and physiology. To date, we lack a solid understanding on the mechanisms by which endocardial cells sense the dynamic mechanical stimuli and how they trigger different cellular responses. In the zebrafish embryo, endocardial cells at the atrioventricular canal respond to blood flow by rearranging from a monolayer to a double-layer, composed of a luminal cell population subjected to blood flow and an abluminal one that is not exposed to it. These early morphological changes lead to the formation of an immature valve leaflet. While previous studies mainly focused on genes that are positively regulated by shear stress, the mechanisms regulating cell behaviors and fates in cells that lack the stimulus of blood flow are largely unknown. One key discovery of my work is that the flow-sensitive Notch receptor and Krüppel-like factor (Klf) 2, one of the best characterized flow-regulated transcriptional factors, are activated by shear stress but that they function in two parallel signal transduction pathways. Each of these two pathways is essential for the rearrangement of atrioventricular cells into an immature double-layered valve leaflets. A second key discovery of my study is the finding that both Notch and Klf2 signaling negatively regulate the expression of the angiogenesis receptor Vegfr3/Flt4, which becomes restricted to abluminal endocardial cells of the valve leaflet. Within these cells, Flt4 downregulates the expressions of the cell adhesion proteins Alcam and VE-cadherin. A loss of Flt4 causes abluminal endocardial cells to ectopically express Notch, which is normally restricted to luminal cells, and impairs valve morphology. My study suggests that abluminal endocardial cells that do not experience mechanical stimuli loose Notch expression and this triggers expression of Flt4. In turn, Flt4 negatively regulates Notch on the abluminal side of the valve leaflet. These antagonistic signaling activities and fine-tuned gene regulatory mechanisms ultimately shape cardiac valve leaflets by inducing unique differences in the fates of endocardial cells.…
• Herzklappen sind essentiell für den kontinuierlichen und gerichteten Blutfluss durch den Körper. Während der Embryonalentwicklung ist die Bildung der Herzklappen stark von vom Blutfluss generierten, mechanischen Kräften abhängig. Das Endokard, ein endotheliales Gewebe, das das Herz im Inneren auskleidet, reagiert sehr sensibel auf biomechanische Einwirkungen. Endokardzellen weisen eine Signaltransduktionsmaschinerie auf, welche die Umwandlung dieser Kräfte in biochemische und elektrische Signale ermöglicht und somit unverzichtbar für die Herzmorphogenese und -physiologie ist. Allerdings fehlt uns noch immer das Verständnis der Mechanismen, mit denen Endokardzellen dynamische, biomechanische Signale wahrnehmen und wie verschiedene zelluläre Antworten ausgelöst werden können. Im Zebrafischembryo reagieren Endokardzellen im atrioventrikulärem Kanal auf Blutfluss induzierte Schubspannung mit einer Umorganisation, wobei sich aus einer Einzelschicht an Zellen eine Doppelschicht bildet. Letztere besteht aus einer luminalen Zellpopulation,Herzklappen sind essentiell für den kontinuierlichen und gerichteten Blutfluss durch den Körper. Während der Embryonalentwicklung ist die Bildung der Herzklappen stark von vom Blutfluss generierten, mechanischen Kräften abhängig. Das Endokard, ein endotheliales Gewebe, das das Herz im Inneren auskleidet, reagiert sehr sensibel auf biomechanische Einwirkungen. Endokardzellen weisen eine Signaltransduktionsmaschinerie auf, welche die Umwandlung dieser Kräfte in biochemische und elektrische Signale ermöglicht und somit unverzichtbar für die Herzmorphogenese und -physiologie ist. Allerdings fehlt uns noch immer das Verständnis der Mechanismen, mit denen Endokardzellen dynamische, biomechanische Signale wahrnehmen und wie verschiedene zelluläre Antworten ausgelöst werden können. Im Zebrafischembryo reagieren Endokardzellen im atrioventrikulärem Kanal auf Blutfluss induzierte Schubspannung mit einer Umorganisation, wobei sich aus einer Einzelschicht an Zellen eine Doppelschicht bildet. Letztere besteht aus einer luminalen Zellpopulation, die dem Blutstrom ausgesetzt ist und einer abluminalen Population, der der Kontakt zum Blut fehlt. Diese initialen morphologischen Veränderungen führen zur Ausbildung des frühen Herzklappensegels. Bisherige Studien berichteten im Besonderen über Gene die positiv von einer veränderten Schubspannung in Endokardzellen reguliert werden. Allerdings sind die Mechanismen, die das Verhalten und die Spezifizierung von den Zellen regulieren, die nicht in Kontakt mit dem Blutfluss sind, weitgehend unbekannt. Eine meiner Schlüsselentdeckungen in dieser Arbeit ist, dass zwei der am besten charakterisierten, durch Blutfluss transkriptional regulierten Faktoren, der Notch Rezeptor und der Krüppel-like factor (Klf) 2, durch Schubspannung aktiviert werden. Dies funktioniert auf zwei parallelen mechanosensitiven Signaltransduktionswegen und beide Kaskaden sind essentiell für die Umorganisation der atrioventrikulären Zellen während der Bildung der frühen zweischichtigen Klappensegeln. Eine zweite wichtige Entdeckung meiner Studien ist, dass die Expression des angiogenen Faktors Vegfr3/Flt4, die auf abluminale Endokardzellen im frühen Klappensegel beschränk ist, von beiden Signalwegen, Notch und KLf2, negativ reguliert wird. Außerdem veringert Flt4 die Expression der Zelladhäsionsproteine Alcam und VE-cadherin in abluminalen Zellen und führt die Herzklappenmorphogenese herbei. Der Verlust von Flt4 wiederum führt zu einer ektopischen Expression von Notch in abluminalen Endokardzellen, welche sonst nur in luminalen Zellen auftritt. Daher zeigt meine Arbeit, dass abluminale Endokardzellen, die keinem mechanischem Reiz ausgesetzt sind, Notch herunterregulieren und damit die Expression von Flt4 auslösen. Flt4 wiederum blockiert dann zusätzlich den Notch Signalweg in dieser Zellpopulation. Diese antagonistischen Signalaktivitäten und fein abgestimmte Genregulationsmechanismen sorgen für Unterschiede in der Spezifizierung der Endokardzellen und formen so schließlich die Segelklappen im Herz.…