Modeling the molecular and cellular mechanisms of TE birth defects in animals

气管和食道（TE）起源于胎儿早期发育的单个前肠管。TE缺陷

The  trachea  and  esophagus  (TE)  arise  from  a  single  foregut  tube  in  early  fetal  development.  Defects  in  TE  morphogenesis result in a spectrum of life-­threatening congenital tracheo-­esophageal birth defects (TEDs) that  prevent  proper  breathing  or  feeding  in  newborns.  The  goal  of  this  project  is  to  determine  the  molecular  and  cellular  basis  of  TEDs  using  animal  models.  Corrected  surgically  in  the  neonatal  period,  TEDs  are  often  associated  with  long-­term  co-­morbidity.  Occurring  in  ~1:3500  births,  the  etiology  of  TEDs  is  poorly  understood. Although evidence indicates a major genetic component, known mutations in 14 genes account for  only 12% of patients with esophageal atresia and/or tracheoesophageal fistula (EA/TEF) [1], while the genetic  basis  of  more  rare  and  lethal  tracheal  atresia  (TA)  is  unknown.  Sporadic  mutations  in  ~25  additional  genes  have  been  associated  with  EA/TEF  patients,  but  these  remain  to  be  validated.  Mouse  has  proven  to  be  effective for modeling TEDs, and indicates a key role for the Hedgehog (HH) and BMP pathways, with mutants  exhibiting defects similar to human patient. Despite this progress there are a number of limitations in the field.  Mouse  is  a  relatively  low  throughput  model  and  only  a  few  of  candidate  mutations  from  patients  have  been  validated to date. Second, while HH and BMP are implicated TE morphogenesis the cellular mechanisms they  regulate,  to  control  separation  of  the  foregut  tube  into  esophagus  and  trachea  are  unknown.  This  is  in  part  because  these  events  occur  early  in  fetal  development  when  internally  developing  mouse  embryos  are  challenging  to  manipulate  and  visualize.  In  preliminary  data  we  have  established  Xenopus  embryos  as  an  innovative  high-­throughput  model  to  complement  mouse  genetics,  and  have  begun  to  identify  novel  and  conserved cellular mechanisms controlling TE morphogenesis. These studies lead us to hypothesize that HH  and BMP interact to regulate the cellular processes of TE morphogenesis and that mutations in these  pathways  result  in  a  spectrum  of  phenotypes  that  model  human  TEDs.  This  project  will  define  the  molecular  and  cellular  mechanisms  of  TE  development,  define  the  structural  basis  of  TEDs  and  test  putative  TED-­causing mutations from patients (project-­1). Ultimately this will improve diagnosis, enhance patient care,  and inform strategies to generate TE tissue from human pluripotent stem cells (hPSCs) (project-­3).   Aim 1 Characterize the cellular mechanisms of TE morphogenesis in animals.  Aim 2 Determine how defects in HH-­Gli and BMP-­Sox2 pathways disrupt TE morphogenesis.  Aim 3 Validate candidate TED-­causing mutations in Xenopus and mouse.