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

动物 TE 出生缺陷的分子和细胞机制建模

• 批准号: 10174985
• 负责人: Aaron M Zorn
• 金额: $ 32.4万
• 依托单位: CINCINNATI CHILDRENS HOSP MED CTR
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2017-08-15 至 2022-05-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10174985
• 关键词: Animal Model; Animals; Automobile Driving; Birth; Breathing; Candidate Disease Gene; Cell Culture Techniques; Cell physiology; Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats; Complement; Congenital Abnormality; Cystic kidney; Data; Defect; Development; Diagnosis; Differentiation and Growth; Embryo; Epithelial; Erinaceidae; Esophageal Atresia; Esophageal Tissue; Esophagus; Etiology; Event; Exhibits; Fetal Development; Gene Mutation; Genes; Genetic; Goals; Human; Human Genetics; Lead; Life; Mediating; Mesenchymal; Modeling; Molecular; Morphogenesis; Mus; Mutation; Newborn Infant; Operative Surgical Procedures; Orthologous Gene; Pathway interactions; Patient Care; Patients; Pattern; Phenotype; Primitive foregut structure; Process; Regulator Genes; Role; Structure; System; Testing; Time; Trachea; Tracheal Atresia; Tracheoesophageal Fistula; Tube; Work; Xenopus; comorbidity; feeding; gene function; genetic testing; genetic variant; genome editing; human model; human pluripotent stem cell; improved; innovation; knock-down; maturity onset diabetes of the young; model organisms databases; molecular modeling; mouse genetics; mutant; neonatal period; novel; prevent; transcription factor; transcriptome

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.

气管和食管（TE）在早期胎儿发育中由单个前肠管产生。 形态发生导致一系列危及生命的先天性气管食管出生缺陷（TEDs）， 阻止新生儿的正常呼吸或喂养。该项目的目标是确定 和细胞基础的TED使用动物模型。在新生儿期手术纠正，TED是 通常与长期并发症有关，在约1：3500的分娩中，TED的病因学不太清楚， 理解。尽管有证据表明这是一个主要的遗传成分，但14个基因中的已知突变解释了 只有12%的患者患有食管闭锁和/或气管食管瘘（EA/TEF）[1]，而遗传性 更罕见和致命的气管闭锁（TA）的基础尚不清楚。 与EA/TEF患者有关，但这些仍有待验证。 有效的建模TED，并指出了刺猬（HH）和BMP途径的关键作用，突变体 表现出与人类患者相似的缺陷。尽管有了这一进展，但该领域仍存在许多限制。 小鼠是一种相对低通量的模型，只有少数来自患者的候选突变已经被发现。 其次，虽然HH和BMP涉及TE形态发生，但它们的细胞机制 调节，以控制分离的前肠管进入食道和气管是未知的。这部分是 因为这些事件发生在胎儿发育的早期，当内部发育的小鼠胚胎被 具有挑战性的操作和可视化。在初步数据中，我们已经建立了非洲爪蟾胚胎作为一个 创新高通量模型，以补充小鼠遗传学，并已开始确定新的， 保守的细胞机制控制TE形态发生。这些研究使我们假设HH 和BMP相互作用以调节TE形态发生的细胞过程， 途径导致一系列的表型，模拟人类TED。这个项目将定义 TE发展的分子和细胞机制，定义TEDs的结构基础，并测试推定的 TED-从病人身上引起突变（项目-2001）。最终这将改善诊断，加强病人护理， 并为从人类多能干细胞（hPSC）产生TE组织的策略提供信息（项目-BP 3）。 目的1研究动物TE形态发生的细胞学机制。 目的2确定HH-β Gli和BMP-β Sox 2通路的缺陷如何破坏TE形态发生。 目的在非洲爪蟾和小鼠中寻找导致TED-A突变的候选基因.