Mechanism of Respiratory System-Esophageal Separation

文摘

ABSTRACT    Abnormal  separation  of  the  respiratory  system  from  the  foregut  leads  to  the  common  birth  defect  esophageal  atresia/tracheoesophageal  fistula  (EA/TEF)  which  affects  1/2,500-­3000  newborns.  Although  the  anomaly can be corrected with surgical intervention, up to 72% of surviving adolescents and adults continue to  suffer from respiratory problems throughout their lifetime, suggesting a connection between EA/TEF and lung  abnormalities.  Consistently,  EA/TEF  is  always  accompanied  by  abnormal  lungs  (e.g.  lobe  fusion)  in  animal  models, although the underlying mechanism is unknown. We recently showed that an epithelial saddle formed  at the lung-­esophageal boundary moves upward to split the lung and trachea from the esophagus. However,  several important questions remain to be answered. How is the lung involved in saddle formation and movement?  What is the underlying cellular and molecular mechanism? We aim to use a combination of organ culture, frog,  and  mouse  models  to  address  these  issues.  Our  lineage  tracing  data  show  that  derivatives  of  respiratory  progenitor cells (Nkx2.1 positive) integrate into the esophagus during separation. Moreover, our preliminary data  suggest  that  a  unique  lung  epithelial  progenitor  subpopulation  (Sox2;;Sox9;;Isl1  positive)  located  at  the  lung-­ esophageal  boundary  plays  critical  roles  in  the  formation  of  the  saddle.  We  further  found  that  the  loss  of  the  transcription  factor  Sox2  or  Isl1  in  the  lung  progenitors,  including  the  subpopulation,  leads  to  EA/TEF  and  abnormal  lungs  in  both  frogs  and  mice.  Interestingly,  these  abnormalities  are  accompanied  by  a  reduction  of  extracellular matrix (ECM) proteins including Fras family members Fras1 and Frem2 which are known to regulate  lung  development.  We  therefore  hypothesize  that  the  Sox2/Isl1  axis  regulates  ECM  proteins  in  a  lung  epithelial progenitor subpopulation (Sox2;;Sox9;;Isl1 positive) that is required for respiratory-­esophageal  separation and lung development. We will test the hypothesis with three specific aims: Aim1 to determine the  contribution of the lung epithelial progenitor subpopulation to the saddle formation and respiratory-­esophageal  separation;; Aim2 to test the hypothesis that Sox2 regulates Isl1 in the lung epithelial progenitor subpopulation  to  control  respiratory-­esophageal  separation;;  Aim3  to  test  the  hypothesis  that  Isl1  regulates  the  separation  process  and  lung  development  through  ECM  proteins.  Notably,  chromosomal  deletion  of  the  region  covering  ISL1  (and  other  genes)  has  been  found  in  patients  with  EA/TEF.  Our  findings  therefore  will  provide  direct  evidence  and  mechanistic  insight  into  the  role  of  Sox2/Isl1/ECM  axis  in  the  pathogenesis  of  this  defect  and  associated lung abnormalities.