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Rapid Genetic Analysis of Epithelial-Mesenchymal Signaling During Hair Regeneration

Hair follicle morphogenesis, a complex process requiring interaction between epithelia-derived keratinocytes and the underlying mesenchyme, is an ...

Cytoplasmic intermediate filaments (cIFs) are thought to provide mechanical strength to vertebrate cells; however, their function in invertebrates has been largely unexplored. The Caenorhabditis elegans genome encodes multiple cIFs. The C. elegans ifb-1 locus encodes two cIF isoforms, IFB-1A and IFB-1B, that differ in their head domains. We show that both IFB-1 isoforms are expressed in epidermal cells, within which they are localized to muscle-epidermal attachment structures. Reduction in IFB-1A function by mutation or RNA interference (RNAi) causes epidermal fragility, abnormal epidermal morphogenesis, and muscle detachment, consistent with IFB-1A providing mechanical strength to epidermal attachment structures. Reduction in IFB-1B function causes morphogenetic defects and defective outgrowth of the excretory cell. Reduction in function of both IFB-1 isoforms results in embryonic arrest due to muscle detachment and failure in epidermal cell elongation at the 2-fold stage. Two other cIFs, IFA-2 and IFA-3, are expressed in epidermal cells. We show that loss of function in IFA-3 results in defects in morphogenesis indistinguishable from those of embryos lacking ifb-1. In contrast, IFA-2 is not required for embryonic morphogenesis. Our data indicate that IFB-1 and IFA-3 are likely the major cIF isoforms in embryonic epidermal attachment structures.

Intermediate filaments are required for C. elegans epidermal elongation.

Zytoplasmatische Mittelstufe Filamenten (cIFs) werden gedacht, um die mechanischen Festigkeit auf Wirbeltiere Zellen zu erzielen; Ihre Funktion bei Wirbellosen wurde jedoch weitgehend unerforscht. Das Fadenwurm Caenorhabditis Elegans Genom kodiert mehrere cIFs. Der C. Elegans-Ifb-1-Locus codiert zwei cIF Isoformen, IFB-1A und IFB-1B, die ihren Kopf-Dom&auml;nen unterscheiden. Wir zeigen, dass beide IFB-1-Isoformen in Epidermiszellen, ausgedr&uuml;ckt werden, innerhalb derer sie zu Muskel-epidermale Anlage Strukturen lokalisiert sind. Reduzierung der IFB-1A Funktion durch Mutation oder RNA-Interferenz (RNAi) verursacht epidermale Zerbrechlichkeit, abnorme epidermale Morphogenese und Muskel Distanziertheit, IFB-1A die mechanischen Festigkeit, epidermale Anlage Strukturen entsprechen. Reduzierung der IFB-1B-Funktion bewirkt, dass morphogenetische M&auml;ngel und defekte Auswuchs der Exkretorische Zelle. Verringerung der Funktion der beiden Isoformen IFB-1 ergibt embryonale Verhaftung wegen Muskel Losgel&ouml;stheit und Scheitern in epidermalen Zelle Dehnung im Stadium der 2-fold. Zwei andere cIFs, IFA-2 und IFA-3, werden in Epidermiszellen ausgedr&uuml;ckt. Wir zeigen, dass Verlust der Funktion in IFA-3 f&uuml;hrt zu Defekten in der Morphogenese nicht zu unterscheiden von denen der Embryonen fehlt Ifb-1. Im Gegensatz dazu ist die IFA-2 nicht f&uuml;r embryonale Morphogenese erforderlich. Unsere Daten zeigen, dass die IFB-1 und IFA-3 wahrscheinlich die wichtigsten cIF-Isoformen in embryonalen epidermale Anlage Strukturen sind.

Fortgeschrittene Filamente sind f&uuml;r C. Elegans epidermale Dehnung erforderlich.

During Caenorhabditis elegans development, the process of epidermal elongation converts the bean-shaped embryo into the long thin shape of the larval worm. Epidermal elongation results from changes in the shape of epidermal cells, which in turn result from changes in the epidermal cytoskeleton, the extracellular matrix, and in cell-matrix adhesion junctions. Here, we review the roles of cytoskeletal filament systems in epidermal cell shape change during elongation. Genetic and cell biological analyses have established that all three major cytoskeletal filament systems (actin microfilaments, microtubules, and intermediate filaments (IFs)) play distinct and essential roles in epidermal cell shape change. Recent work has also highlighted the importance of communication between these systems for their integrated function in epidermal elongation. Epidermal cells undergo reciprocal interactions with underlying muscle cells, which regulate the position and function of IF-containing cell-matrix adhesion structures within the epidermis. Elongation thus exemplifies the reciprocal tissue interactions of organogenesis.

The cytoskeleton and epidermal morphogenesis in C. elegans.

W&auml;hrend der Fadenwurm Caenorhabditis Elegans Entwicklung konvertiert der Prozess der epidermalen Dehnung den Bohne-f&ouml;rmigen Embryo in die langen, d&uuml;nnen Form des larvalen Wurms. Epidermale Dehnung ergibt sich aus &Auml;nderungen in der Form der Epidermiszellen, was wiederum von Ver&auml;nderungen epidermale Zytoskeletts, der extrazellul&auml;ren Matrix und Zelle-Matrix-Haftung-Kreuzungen f&uuml;hren. Hier &uuml;berpr&uuml;fen wir die Rollen des Zytoskelett Filament Systeme in Form von epidermalen Zelle w&auml;hrend Dehnung zu &auml;ndern. Genetische und Zelle biologische Analysen festgestellt haben, dass alle drei gro&szlig;en Zytoskelett Filament-Systeme (Aktin Mikrofilamente, Mikrotubuli und fortgeschrittene Filamenten (IFs)) in epidermalen Zelle Form&auml;nderung unterschiedliche und wichtige Rollen spielen. Die j&uuml;ngsten Arbeiten hat auch die Bedeutung der Kommunikation zwischen diesen Systemen f&uuml;r ihre integrierte Funktion in epidermale Dehnung hervorgehoben. Epidermiszellen unterziehen wechselseitige Interaktionen mit zugrunde liegenden Muskelzellen, die die Position und Funktion des IF-haltigen Zelle-Matrix-Haftung-Strukturen innerhalb der Epidermis zu Regeln. Dehnung verk&ouml;rpert somit die wechselseitige Gewebe-Interaktionen der Organogenese.

Das Zytoskelett und epidermale Morphogenese in C. Elegans.

The F-spondin family of extracellular matrix proteins has been implicated in axon outgrowth, fasciculation and neuronal cell migration, as well as in the differentiation and proliferation of non-neuronal cells. In screens for mutants defective in C. elegans embryonic morphogenesis, we identified SPON-1, the only C. elegans member of the spondin family. SPON-1 is synthesized in body muscles and localizes to integrin-containing structures on body muscles and to other basement membranes. SPON-1 maintains strong attachments of muscles to epidermis; in the absence of SPON-1, muscles progressively detach from the epidermis, causing defective epidermal elongation. In animals with reduced integrin function, SPON-1 becomes dose dependent, suggesting that SPON-1 and integrins function in concert to promote the attachment of muscles to the basement membrane. Although spon-1 mutants display largely normal neurite outgrowth, spon-1 synergizes with outgrowth defective mutants, revealing a cryptic role for SPON-1 in axon extension. In motoneurons, SPON-1 acts in axon guidance and fasciculation, whereas in interneurons SPON-1 maintains process position. Our results show that a spondin maintains cell-matrix adhesion in multiple tissues.

The C. elegans F-spondin family protein SPON-1 maintains cell adhesion in neural and non-neural tissues.

Die F-Spondin-Familie der extrazellul&auml;ren Matrix Proteine hat verwickelt war, in Axon Auswuchs, Faszikulation und neuronalen Zellwanderung sowie in der Differenzierung und Proliferation von nicht-neuronale Zellen. Auf Bildschirmen f&uuml;r Mutanten Defekt in C. Elegans embryonalen Morphogenese haben wir festgestellt, SPON-1, das nur C. Elegans-Mitglied aus der Familie der Spondin. SPON-1 wird im K&ouml;rper Muskeln und Integrin-haltigen Strukturen am K&ouml;rper Muskeln und andere Keller-Membranen lokalisiert. SPON-1 unterh&auml;lt starke Anlagen der Muskeln Epidermis; in Ermangelung von SPON-1 trennen Sie Muskeln schrittweise der Epidermis, verursacht fehlerhafte epidermale Dehnung. Bei Tieren mit reduzierten Integrin-Funktion wird SPON-1 Dosis abh&auml;ngig, was darauf hindeutet, dass SPON-1 und Integrine Funktion im Konzert, die Befestigung der Muskeln an der Basalmembran zu f&ouml;rdern. Obwohl Spon-1 Mutanten weitgehend normalen Neurit Auswuchs anzeigen, punktet Spon-1 mit defekten Auswuchs Mutanten, offenbart eine kryptische Rolle f&uuml;r SPON-1 im Axon-Erweiterung. In Motoneurons wirkt SPON-1 Axon Anleitung und Faszikulation, w&auml;hrend in Interneuronen SPON-1 Prozess Position beibeh&auml;lt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Spondin Zelle-Matrix-Haftung in mehreren Geweben beibeh&auml;lt.

Die C. Elegans F-Spondin Familie Protein SPON-1 unterh&auml;lt Zelladh&auml;sion in neuronalen und nicht-neuralen Geweben.

The primary cilium is critical for transducing Sonic hedgehog (Shh) signaling, but the mechanisms of its transient assembly are poorly understood. Previously we showed that the actin regulatory protein Missing-in-Metastasis (MIM) regulates Shh signaling, but the nature of MIM's role was unknown. Here we show that MIM is required at the basal body of mesenchymal cells for cilia maintenance, Shh responsiveness, and de novo hair follicle formation. MIM knockdown results in increased Src kinase activity and subsequent hyperphosphorylation of the actin regulator Cortactin. Importantly, inhibition of Src or depletion of Cortactin compensates for the cilia defect in MIM knockdown cells, whereas overexpression of Src or phospho-mimetic Cortactin is sufficient to inhibit ciliogenesis. Our results suggest that MIM promotes ciliogenesis by antagonizing Src-dependent phosphorylation of Cortactin and describe a mechanism linking regulation of the actin cytoskeleton with ciliogenesis and Shh signaling during tissue regeneration.

MIM and cortactin antagonism regulates ciliogenesis and hedgehog signaling.

Die prim&auml;re Zilie ist entscheidend f&uuml;r Lentivirale Sonic Hedgehog (Shh) signalisieren, aber die Mechanismen der seine fl&uuml;chtige Assembly werden oft missverstanden. Zuvor zeigten wir, dass die Actin regulatorischen Protein Missing-in-Metastasierung (MIM) regelt die Shh signalisieren, aber die Art der MIM Rolle war unbekannt. Hier zeigen wir, dass MIM am basalen K&ouml;rper Mesenchymale Zellen f&uuml;r Zilien Wartung, Shh Reaktionsf&auml;higkeit und de Novo Haarfollikel Bildung erforderlich ist. MIM Niederschlag f&uuml;hrt zu erh&ouml;hten Src-Kinase-Aktivit&auml;t und nachfolgenden Hyperphosphorylation des Aktin-Regulators Cortactin. Wichtig ist, gleicht Hemmung der Src oder Ersch&ouml;pfung der Cortactin der Zilien-Mangel in MIM Niederschlag Zellen, w&auml;hrend eine &Uuml;berexpression von Src oder Phospho-mimetischen Cortactin ausreicht, um Ciliogenesis zu hemmen. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass MIM f&ouml;rdert die Ciliogenesis von Src-abh&auml;ngige Phosphorylierung des Cortactin gegen sie aufzubringen und beschreiben einen Mechanismus verkn&uuml;pfen Verordnung des Aktin-Zytoskeletts mit Ciliogenesis und Shh Signalisierung w&auml;hrend der Geweberegeneration.

MIM und Cortactin Antagonismus regelt Ciliogenesis und Igel-signalisieren.

SnapShot: hair follicle stem cells.

SnapShot: Haarfollikel Stammzellen.

The Hedgehog (Hh) pathway is essential for vertebrate embryogenesis, and excessive Hh target gene activation can cause cancer in humans. Here we show that Neuropilin 1 (Nrp1) and Nrp2, transmembrane proteins with roles in axon guidance and vascular endothelial growth factor (VEGF) signaling, are important positive regulators of Hh signal transduction. Nrps are expressed at times and locations of active Hh signal transduction during mouse development. Using cell lines lacking key Hh pathway components, we show that Nrps mediate Hh transduction between activated Smoothened (Smo) protein and the negative regulator Suppressor of Fused (SuFu). Nrp1 transcription is induced by Hh signaling, and Nrp1 overexpression increases maximal Hh target gene activation, indicating the existence of a positive feedback circuit. The regulation of Hh signal transduction by Nrps is conserved between mammals and bony fish, as we show that morpholinos targeting the Nrp zebrafish ortholog nrp1a produce a specific and highly penetrant Hh pathway loss-of-function phenotype. These findings enhance our knowledge of Hh pathway regulation and provide evidence for a conserved nexus between Nrps and this important developmental signaling system.

Neuropilins are positive regulators of Hedgehog signal transduction.

Der Igel (Hh)-Stoffwechselweg ist f&uuml;r Wirbeltiere Embryogenese und &uuml;berm&auml;&szlig;ige Hh Ziel Genaktivierung kann Krebs beim Menschen verursachen. Hier zeigen wir, dass Neuropilin-1 (Nrp1) und Nrp2, Transmembranproteine mit Rollen im Axon Anleitung und vaskul&auml;ren endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) signalisieren, sind wichtige positive Regulatoren der Hh-Signaltransduktion. NRP werden manchmal ausgedr&uuml;ckt und Standorte der aktiven Hh-Signaltransduktion bei Maus-Entwicklung. Mit Zelllinien, die Schl&uuml;sselkomponenten Hh Weg fehlt, zeigen wir, dass NRP Hh Transduktion zwischen aktivierten gegl&auml;ttet (Smo) Protein und die negativen Regulator Suppressor aus geschmolzenen (SuFu) vermitteln. Nrp1-Transkription wird induziert durch Hh Signalisierung und Nrp1 eine &Uuml;berexpression erh&ouml;ht die maximale Hh Ziel Genaktivierung, angibt, die Existenz einer positiven Feedback-Schaltung. Die Regulierung der Hh Signaltransduktion von NRP zwischen S&auml;ugetieren und Knochenfischen, konserviert wird, wie wir zeigen, dass Morpholinos Ausrichtung der Nrp Zebrafisch Ortholog nrp1a erzeugen einen spezifischen und hoch Eindringpr&uuml;fung Hh Weg von Verlustfunktion Ph&auml;notyp. Diese Befunde erweitern unser Wissen &uuml;ber Hh Weg Verordnung und nachweisen f&uuml;r eine konservierte Nexus zwischen NRP und dieses wichtige Entwicklungs-Signalling System.

Neuropilins sind positive Regulatoren der Igel-Signaltransduktion.

During hair follicle morphogenesis, dermal papillae (DPs) function as mesenchymal signaling centers that cross-talk with overlying epithelium to regulate morphogenesis. While the DP regulates hair follicle formation, relatively little is known about the molecular basis of DP formation. The morphogen Sonic hedgehog (Shh) is known for regulating hair follicle epithelial growth, with excessive signaling resulting in basal cell carcinomas. Here, we investigate how dermal-specific Shh signaling contributes to DP formation and hair growth. Using a Cre-lox genetic model and RNAi in hair follicle reconstitution assays, we demonstrate that dermal Smoothened (Smo) loss of function results in the loss of the DP precursor, the dermal condensate, and a stage 2 hair follicle arrest phenotype reminiscent of Shh(-/-) skin. Surprisingly, dermal Smo does not regulate cell survival or epithelial proliferation. Rather, molecular screening and immunostaining studies reveal that dermal Shh signaling controls the expression of a subset of DP-specific signature genes. Using a hairpin/cDNA lentiviral system, we show that overexpression of the Shh-dependent gene Noggin, but not Sox2 or Sox18, can partially rescue the dermal Smo knockdown hair follicle phenotype by increasing the expression of epithelial Shh. Our findings suggest that dermal Shh signaling regulates specific DP signatures to maintain DP maturation while maintaining a reciprocal Shh-Noggin signaling loop to drive hair follicle morphogenesis.

Shh maintains dermal papilla identity and hair morphogenesis via a Noggin-Shh regulatory loop.

Funktionieren w&auml;hrend Haarfollikel Morphogenese dermale Papillen (DPs) als Mesenchymale Signalling-Zentren, die Nebensprechen mit dar&uuml;ber liegende Epithel Morphogenese regulieren. W&auml;hrend der DP Haarfollikel Bildung regelt, ist relativ wenig bekannt &uuml;ber die molekulare Grundlage der DP-Formation. Morphogen Sonic Hedgehog (Shh) ist bekannt f&uuml;r die Regulierung der Haarfollikel epitheliale Wachstum mit &uuml;berm&auml;&szlig;igen Signalling was Basalzell-Karzinome. Hier untersuchen wir, wie dermal-spezifische Shh Signalisierung zur DP-Formation und Haar-Wachstum beitr&auml;gt. Verwenden eine Cre-Lox genetischen Modell und RNAi in Haarfollikel Rekonstitution Proben, demonstrieren wir dermal gegl&auml;ttet (Smo) Verlust der Ergebnisse der Funktion in den Verlust der DP-Vorl&auml;ufer, das dermal Kondensat und eine Stufe 2 Haarfollikel Verhaftung Ph&auml;notyp erinnert an Shh(-/-) Haut. Dermale Smo Regeln &uuml;berraschend nicht epitheliale Verbreitung oder Zelle &uuml;berleben. Molekulare Screening und Paraffinschnitten Studien zufolge vielmehr dermal Shh Signalisierung den Ausdruck einer Teilmenge von DP-spezifische Signatur Gene steuert. Mit einer Haarnadel/cDNA Lentivirale System, wir zeigen, dass eine &Uuml;berexpression des Gens Shh-abh&auml;ngige Noggin, aber nicht Sox2 oder Sox18, kann teilweise die dermale Smo Niederschlag Haarfollikel Ph&auml;notyp retten durch Erh&ouml;hung des Ausdrucks der epithelialen Shh. Unsere Einsch&auml;tzungen zufolge dermal Shh Signalisierung bestimmte DP-Signaturen festzuhalten, DP-Reifung und gleichzeitig eine wechselseitige Shh-Noggin-Signalling-Schleife um Haarfollikel Morphogenese fahren regelt.

Article	Year
Intermediate filaments are required for C. elegans epidermal elongation. Developmental biology\| PubMed ID: 14975728	2004
The cytoskeleton and epidermal morphogenesis in C. elegans. Experimental cell research\| PubMed ID: 15501449	2004
The C. elegans F-spondin family protein SPON-1 maintains cell adhesion in neural and non-neural tissues. Development (Cambridge, England)\| PubMed ID: 18614580	2008
MIM and cortactin antagonism regulates ciliogenesis and hedgehog signaling. Developmental cell\| PubMed ID: 20708589	2010
SnapShot: hair follicle stem cells. Cell\| PubMed ID: 21784251	2011
Neuropilins are positive regulators of Hedgehog signal transduction. Genes & development\| PubMed ID: 22051878	2011
Shh maintains dermal papilla identity and hair morphogenesis via a Noggin-Shh regulatory loop. Genes & development\| PubMed ID: 22661232	2012

Wei-Meng Woo

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