Molecular control of murine ureter development - the function of FGF and BMP4 signaling

Abstract

The ureters are muscular tubes that propel the urine from the renal pelvis to the bladder by uni-directional peristaltic contractions. To fulfill this function the ureters are compartmentalized into an outer mesenchymal wall with layers of fibrocytes in the inner lamina propria (LP) and the outer tunica adventitia (TA) unsheathing smooth muscle cells (SMC), and an inner highly spe-cialized epithelium: the urothelium. The urothelium features a three-layered organization of su-perficial (S), intermediate (I) and basal (B) cells. The ureteric mesenchyme (UM) as well as the ureteric epithelium (UE) arise from pools of homogeneous, uncommitted precursor cells. Pat-terning, proliferation and differentiation of these progenitors rely on a very complex interplay of various signaling pathways. SHH and WNT signals from the UE and BMP4 from the UM pro-mote epithelial and mesenchymal proliferation and differentiation. In contrast, retinoic acid (RA) within the UM and the UE inhibits differentiation and promotes precursor proliferation in both compartments. How these signals cooperate with each other and possibly additional as yet unknown signals and how they impinge on various transcription factor (TF) genes to control the development of three different cell types from homogeneous precursor cell populations in two different tissue compartments is poorly understood. Aim of this thesis was to address the func-tion of FGF and BMP4 signaling in this context. Expression of Fgfr1 and Fgfr2 was found in the undifferentiated UE as well as in the surround-ing UM. Targeted inactivation of Fgfr2 in the UE resulted in loss of I and B cells, delayed onset of SMC differentiation and in an inability to form the LP. Fgfr2 was found to increase SHH and BMP4 signaling to allow differentiation of epithelial cells and to precisely activate SMC differen-tiation. FGFRs in the mesenchyme act as a molecular sink to fine tune this signaling axis. Tar-geted ablation of Fgfr1 and Fgfr2 delayed the onset of SMC differentiation and led to premature development of the LP. Pharmacological rescue and gain of function experiments showed that increased SHH and BMP4 signaling promote I and B cell as well as SMC differentiation, while increased SHH but decreased BMP4 signaling promotes LP development. BMP4 signaling was previously described to act on the development of the UE and the UM but the transcriptional targets remained widely unexplored. Genetic and pharmacological inactiva-tion of BMP4 signaling identified TF genes differentially controlling the development of the UM and UE. Molecular inspection unraveled that some of these TF genes were regulated as a con-sequence of increased RA signaling in Bmp4 mutant ureters. This thesis identified FGF signaling as a crucial regulator of signaling networks controlling tem-poral and spatial differentiation of the murine ureter and increased our knowledge of the molec-ular function of BMP4 signaling in the context of ureter development.

Der Ureter leitet als Teil des harnableitenden Systems durch gerichtete Kontraktionen den Urin aus dem Nierenbecken in die Blase ab. Dazu besitzt der Ureter eine Zellschicht aus glatter Muskulatur, umgeben von Fibroblasten der inneren Lamina propria (LP) und der äußeren Tu-nica adventitia (TA). Dieses als Uretermesenchym (UM) bezeichnete Gewebekompartiment umschließt ein hochspezialisiertes Epithel (Urothel, UE), welches aus Schirm (S)-, Intermediär (I)- und Basal (B)-Zellen aufgebaut ist. UE und UM entwickeln sich je aus einer Vorläuferpopu-lation homogener, undifferenzierter Zellen. Musterungs-, Proliferations- und Differenzierungs-prozesse während der murinen Ureterentwicklung basieren auf einer komplexen Interaktion von Signalwegen, die räumlich und zeitlich präzise aufeinander abgestimmt sind. SHH- und WNT-Signale aus dem UE, sowie BMP4-Signale aus dem UM stimulieren die Proliferation und Differenzierung beider Kompartimente. Retinsäure (RA) inhibiert Differenzierung und stimuliert Proliferation, um so ausreichend Vorläuferzellen zu erhalten. Wie genau die einzelnen Signal-wege miteinander und mit eventuell noch unbekannten Faktoren kooperieren und wie sie die Expression unterschiedlicher Transkriptionsfaktoren (TF) kontrollieren, um die Entwicklung hochspezialisierter Zelltypen zu ermöglichen, ist bislang nur wenig verstanden. Ziel dieser Ar-beit war es, die Funktion des BMP4- und FGF-Signalweges in diesem Kontext zu untersuchen. Fgfr1 und Fgfr2 sind im undifferenzierten UE und UM exprimiert. Die Inaktivierung von Fgfr2 im UE führt zu einem Verlust von I- und B-Zellen sowie der LP und einer verzögerten Differen-zierung der glatten Muskulatur. Molekulare Analysen zeigten, dass Fgfr2 die SHH-BMP4-Sig-nalachse verstärkt und so die Differenzierung fördert. FGF-Rezeptoren im UM agieren als mo-lekulare Modulatoren zur Vermeidung einer Überaktivierung epithelialer Signale. Die Inaktivie-rung von Fgfr1 und Fgfr2 im UM verzögert die Differenzierung der glatten Muskulatur und för-dert die Bildung der LP. Weitere pharmakologische Experimente zeigten, dass verstärkte SHH- und BMP4-Signale Muskel-, I- und B-Zelldifferenzierung fördern, während verstärkte SHH-Sig-nale bei gleichzeitiger Reduktion von BMP4-Signalen die Entwicklung der LP fördern. Die Notwendigkeit des BMP4-Signalwegs für die Entwicklung des murinen Ureters wurde be-reits in früheren Studien beschrieben, aber die transkriptionellen Ziele waren in diesem Kontext noch gänzlich unbekannt. Diese Arbeit identifizierte durch genetische und pharmakologische Inhibierung des Signalwegs TF, die spezifisch die Differenzierung des UE und des UM kontrol-lieren. Die TF werden dabei entweder direkt oder indirekt durch BMP4 reguliert. Indirekte Re-gulation erfolgt durch gesteigerte RA-Aktivität in Folge eines inaktiven BMP4-Signalwegs. Diese Arbeit zeigte, dass FGF-Signale als wichtige Regulatoren der Signalnetzwerke agieren, die die murine Ureterentwicklung kontrollieren, und erweiterte unser Wissen im Hinblick auf die transkriptionelle Kontrolle des BMP4-Signalwegs im Kontext der murinen Ureterentwicklung.