Vascular endothelial growth factor (VEGF-A) is a major regulator of blood vessel formation and function. It controls several processes in endothelial cells, such as proliferation, survival, and migration, but it is not known how these are coordinately regulated to result in more complex morphogenetic events, such as tubular sprouting, fusion, and network formation. We show here that VEGF-A controls angiogenic sprouting in the early postnatal retina by guiding filopodial extension from specialized endothelial cells situated at the tips of the vascular sprouts. The tip cells respond to VEGF-A only by guided migration; the proliferative response to VEGF-A occurs in the sprout stalks. These two cellular responses are both mediated by agonistic activity of VEGF-A on VEGF receptor 2. Whereas tip cell migration depends on a gradient of VEGF-A, proliferation is regulated by its concentration. Thus, vessel patterning during retinal angiogenesis depends on the balance between two different qualities of the extracellular VEGF-A distribution, which regulate distinct cellular responses in defined populations of endothelial cells.

Summary

 The Notch pathway is a highly conserved signaling system that controls a diversity of growth, differentiation, and patterning processes. In growing blood vessels, sprouting of endothelial tip cells is inhibited by Notch signaling, which is activated by binding of the Notch receptor to its ligand Delta-like 4 (Dll4). Here, we show that the Notch ligand Jagged1 is a potent proangiogenic regulator in mice that antagonizes Dll4-Notch signaling in cells expressing Fringe family glycosyltransferases. Upon glycosylation of Notch, Dll4-Notch signaling is enhanced, whereas Jagged1 has weak signaling capacity and competes with Dll4. Our findings establish that the equilibrium between two Notch ligands with distinct spatial expression patterns and opposing functional roles regulates angiogenesis, a mechanism that might also apply to other Notch-controlled biological processes.

The blood–brain barrier (BBB) is confined to the endothelium of brain capillaries and is indispensable for fluid homeostasis and neuronal function. In this study, we show that endothelial Wnt/β-catenin (β-cat) signaling regulates induction and maintenance of BBB characteristics during embryonic and postnatal development. Endothelial specific stabilization of β-cat in vivo enhances barrier maturation, whereas inactivation of β-cat causes significant down-regulation of claudin3 (Cldn3), up-regulation of plamalemma vesicle-associated protein, and BBB breakdown. Stabilization of β-cat in primary brain endothelial cells (ECs) in vitro by N-terminal truncation or Wnt3a treatment increases Cldn3 expression, BBB-type tight junction formation, and a BBB characteristic gene signature. Loss of β-cat or inhibition of its signaling abrogates this effect. Furthermore, stabilization of β-cat also increased Cldn3 and barrier properties in nonbrain-derived ECs. These findings may open new therapeutic avenues to modulate endothelial barrier function and to limit the devastating effects of BBB breakdown.

The transcription factor FOXO1 is identified as a crucial checkpoint of vascular growth, coupling the metabolic and proliferative activities of endothelial cells. The mechanisms that balance the metabolism of endothelial cells and their growth state are not known. Here Michael Potente and colleagues identify the transcription factor FOXO1 as a crucial checkpoint of vascular growth, coupling the metabolic and proliferative activities of endothelial cells. They find that FOXO1 expression in endothelial cells is required to keep the cells quiescent, through suppressing c-MYC signalling, thereby reducing glycolysis and mitochondrial respiration. Endothelial-specific deletion of FOXO1 in mice induces vessel hyperplasia and enlargement. Endothelial cells (ECs) are plastic cells that can switch between growth states with different bioenergetic and biosynthetic requirements1. Although quiescent in most healthy tissues, ECs divide and migrate rapidly upon proangiogenic stimulation2,3. Adjusting endothelial metabolism to the growth state is central to normal vessel growth and function1,4, yet it is poorly understood at the molecular level. Here we report that the forkhead box O (FOXO) transcription factor FOXO1 is an essential regulator of vascular growth that couples metabolic and proliferative activities in ECs. Endothelial-restricted deletion of FOXO1 in mice induces a profound increase in EC proliferation that interferes with coordinated sprouting, thereby causing hyperplasia and vessel enlargement. Conversely, forced expression of FOXO1 restricts vascular expansion and leads to vessel thinning and hypobranching. We find that FOXO1 acts as a gatekeeper of endothelial quiescence, which decelerates metabolic activity by reducing glycolysis and mitochondrial respiration. Mechanistically, FOXO1 suppresses signalling by MYC (also known as c-MYC), a powerful driver of anabolic metabolism and growth5,6. MYC ablation impairs glycolysis, mitochondrial function and proliferation of ECs while its EC-specific overexpression fuels these processes. Moreover, restoration of MYC signalling in FOXO1-overexpressing endothelium normalizes metabolic activity and branching behaviour. Our findings identify FOXO1 as a critical rheostat of vascular expansion and define the FOXO1–MYC transcriptional network as a novel metabolic checkpoint during endothelial growth and proliferation.

The murine VEGF gene is alternatively transcribed to yield the VEGF120, VEGF164, and VEGF188 isoforms, which differ in their potential to bind to heparan sulfate and neuropilin-1 and to stimulate endothelial growth. Here, their role in retinal vascular development was studied in mice selectively expressing single isoforms. VEGF164/164 mice were normal, healthy, and had normal retinal angiogenesis. In contrast, VEGF120/120 mice exhibited severe defects in vascular outgrowth and patterning, whereas VEGF188/188 mice displayed normal venular outgrowth but impaired arterial development. It is noteworthy that neuropilin-1, a receptor for VEGF164, was predominantly expressed in retinal arterioles. These findings reveal distinct roles of the various VEGF isoforms in vascular patterning and arterial development in the retina.

Angiogenesis underlies the majority of eye diseases that result in catastrophic loss of vision. Recent evidence has implicated the integrins alpha v beta 3 and alpha v beta 5 in the angiogenic process. We examined the expression of alpha v beta 3 and alpha v beta 5 in neovascular ocular tissue from patients with subretinal neovascularization from age-related macular degeneration or the presumed ocular histoplasmosis syndrome or retinal neovascularization from proliferative diabetic retinopathy (PDR). Only alpha v beta 3 was observed on blood vessels in ocular tissues with active neovascularization from patients with age-related macular degeneration or presumed ocular histoplasmosis, whereas both alpha v beta 3 and alpha v beta 5 were present on vascular cells in tissues from patients with PDR. Since we observed both integrins on vascular cells from tissues of patients with retinal neovascularization from PDR, we examined the effects of a systemically administered cyclic peptide antagonist of alpha v beta 3 and alpha v beta 5 on retinal angiogenesis in a murine model. This antagonist specifically blocked new blood vessel formation with no effect on established vessels. These results not only reinforce the concept that retinal and subretinal neovascular diseases are distinct pathological processes, but that antagonists of alpha v beta 3 and/or alpha v beta 5 may be effective in treating individuals with blinding eye disease associated with angiogenesis.

ABSTRACT There is a class of oligodendrocyte progenitors, called O-2A progenitors, that is characterized by expression of platelet-derived growth factor alpha-receptors (PDGFRα). It is not known whether all oligodendrocytes are derived from these PDGFRα-progenitors or whether a subset(s) of oligodendrocytes develops from a different, PDGFRα-negative lineage(s). We investigated the relationship between PDGF and oligodendrogenesis by examining mice that lack either PDGF-A or PDGF-B. PDGF-A null mice had many fewer PDGFRα-progenitors than either wild-type or PDGF-B null mice, demonstrating that proliferation of these cells relies heavily (though not exclusively) on PDGF-AA homodimers. PDGF-A-deficient mice also had reduced numbers of oligodendrocytes and a dysmyelinating phenotype (tremor). Not all parts of the central nervous system (CNS) were equally affected in the knockout. For example, there were profound reductions in the numbers of PDGFRα-progenitors and oligodendrocytes in the spinal cord and cerebellum, but less severe reductions of both cell types in the medulla. This correlation suggests a close link between PDGFRα-progenitors and oligodendrogenesis in most or all parts of the CNS. We also provide evidence that myelin proteolipid protein (PLP/DM-20)-positive cells in the late embryonic brainstem are non-dividing cells, presumably immature oligodendrocytes, and not proliferating precursors.

Angiogenesis, the growth of new blood vessels, involves specification of endothelial cells to tip cells and stalk cells, which is controlled by Notch signalling, whereas vascular endothelial growth factor receptor (VEGFR)-2 and VEGFR-3 have been implicated in angiogenic sprouting. Surprisingly, we found that endothelial deletion of Vegfr3, but not VEGFR-3-blocking antibodies, postnatally led to excessive angiogenic sprouting and branching, and decreased the level of Notch signalling, indicating that VEGFR-3 possesses passive and active signalling modalities. Furthermore, macrophages expressing the VEGFR-3 and VEGFR-2 ligand VEGF-C localized to vessel branch points, and Vegfc heterozygous mice exhibited inefficient angiogenesis characterized by decreased vascular branching. FoxC2 is a known regulator of Notch ligand and target gene expression, and Foxc2+/−;Vegfr3+/− compound heterozygosity recapitulated homozygous loss of Vegfr3. These results indicate that macrophage-derived VEGF-C activates VEGFR-3 in tip cells to reinforce Notch signalling, which contributes to the phenotypic conversion of endothelial cells at fusion points of vessel sprouts. Notch and VEGF signalling controls the specification of endothelial cells to tip and stalk cells during angiogenesis sprouting. Alitalo and colleagues show that macrophage-derived VEGF-C activates VEGFR2 to contribute to the conversion of endothelial cells from a tip- to a stalk-cell fate when two sprouts fuse to ensure vessel growth and branching.

In recent years, gene-targeting studies in mice have elucidated many molecular mechanisms in vascular biology. However, it has been difficult to apply this approach to the study of postnatal animals because mutations affecting the vasculature are often embryonically lethal. We have therefore generated transgenic mice that express a tamoxifen-inducible form of Cre recombinase (iCreER(T2)) in vascular endothelial cells using a phage artificial chromosome (PAC) containing the Pdgfb gene (Pdgfb-iCreER mice). This allows the genetic targeting of the vascular endothelium in postnatal animals. We tested efficiency of tamoxifen-induced iCre recombinase activity with ROSA26-lacZ reporter mice and found that in newborn animals recombination could be achieved in most capillary and small vessel endothelial cells in most organs including the central nervous system. In adult animals, recombination activity was also widespread in capillary beds of skeletal muscle, heart, skin, and gut but not in the central nervous system where only a subpopulation of endothelial cells was labeled. We also tested recombination efficiency in a subcutaneous tumor model and found recombination activity in all detectable tumor blood vessels. Thus, Pdgfb-iCreER mice are a valuable research tool to manipulate endothelial cells in postnatal mice and study tumor angiogenesis.

Plumbing in the Brain Superficial similarities of vasculature in different parts of the body may mask organ-specific developmental nuances. The vasculature of the brain uniquely has to insulate the organ from insults that the rest of the body must tolerate. Kuhnert et al. (p. 985 ) analyzed the developmental uniqueness of the brain's vasculature through study of a G protein–coupled receptor, GPR124, initially identified by its actions in the vasculature of colon cancer. GPR124 is also involved in normal development of the brain's vasculature. Mice expressing low levels of GPR124 did not develop adequate vasculature in the brain and died from hemorrhages. Mice with too much GPR124 developed a tangled, thin-walled, excessive vasculature in the brain. Although the overexpressing mice survived, they were prone to neurological symptoms such as ataxia. GPR124 seems to control the normal development of the endothelial cells, particularly in the forebrain and ventral neural tube.