Sonic hedgehog (Shh), a soluble ligand overexpressed by neoplastic cells in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), drives formation of a fibroblast-rich desmoplastic stroma. To better understand its role in malignant progression, we deleted Shh in a well-defined mouse model of PDAC. As predicted, Shh-deficient tumors had reduced stromal content. Surprisingly, such tumors were more aggressive and exhibited undifferentiated histology, increased vascularity, and heightened proliferation--features that were fully recapitulated in control mice treated with a Smoothened inhibitor. Furthermore, administration of VEGFR blocking antibody selectively improved survival of Shh-deficient tumors, indicating that Hedgehog-driven stroma suppresses tumor growth in part by restraining tumor angiogenesis. Together, these data demonstrate that some components of the tumor stroma can act to restrain tumor growth.

The Notch gene family encodes large transmembrane receptors that are components of an evolutionarily conserved intercellular signaling mechanism. To assess the role of the Notch4 gene, we generated Notch4-deficient mice by gene targeting. Embryos homozygous for this mutation developed normally, and homozygous mutant adults were viable and fertile. However, the Notch4 mutation displayed genetic interactions with a targeted mutation of the related Notch1 gene. Embryos homozygous for mutations of both the Notch4 and Notch1 genes often displayed a more severe phenotype than Notch1 homozygous mutant embryos. Both Notch1 mutant and Notch1/Notch4 double mutant embryos displayed severe defects in angiogenic vascular remodeling. Analysis of the expression patterns of genes encoding ligands for Notch family receptors indicated that only the Dll4 gene is expressed in a pattern consistent with that expected for a gene encoding a ligand for the Notch1 and Notch4 receptors in the early embryonic vasculature. These results reveal an essential role for the Notch signaling pathway in regulating embryonic vascular morphogenesis and remodeling, and indicate that whereas the Notch4 gene is not essential during embryonic development, the Notch4 and Notch1 genes have partially overlapping roles during embryogenesis in mice.

Bone marrow endothelial cells (ECs) are essential for reconstitution of hematopoiesis, but their role in self-renewal of long-term hematopoietic stem cells (LT-HSCs) is unknown. We have developed angiogenic models to demonstrate that EC-derived angiocrine growth factors support in vitro self-renewal and in vivo repopulation of authentic LT-HSCs. In serum/cytokine-free cocultures, ECs, through direct cellular contact, stimulated incremental expansion of repopulating CD34−Flt3−cKit+Lineage−Sca1+ LT-HSCs, which retained their self-renewal ability, as determined by single-cell and serial transplantation assays. Angiocrine expression of Notch ligands by ECs promoted proliferation and prevented exhaustion of LT-HSCs derived from wild-type, but not Notch1/Notch2-deficient, mice. In transgenic notch-reporter (TNR.Gfp) mice, regenerating TNR.Gfp+ LT-HSCs were detected in cellular contact with sinusoidal ECs. Interference with angiocrine, but not perfusion, function of SECs impaired repopulation of TNR.Gfp+ LT-HSCs. ECs establish an instructive vascular niche for clinical-scale expansion of LT-HSCs and a cellular platform to identify stem cell-active trophogens.

We report the cloning and characterization of a new member of the Delta family of Notch ligands, which we have named Dll4 . Like other Delta genes, Dll4 is predicted to encode a membrane-bound ligand, characterized by an extracellular region containing several EGF-like domains and a DSL domain required for receptor binding. In situ analysis reveals a highly selective expression pattern of Dll4 within the vascular endothelium. The activity and expression of Dll4 and the known actions of other members of this family suggest a role for Dll4 in the control of endothelial cell biology.

We have demonstrated previously that a combination of signals from the neural tube and the floor plate/notochord complex synergistically induce the expression of myogenic bHLH genes and myogenic differentiation markers in unspecified somites. In this study we demonstrate that Sonic hedgehog (Shh), which is expressed in the floor plate/notochord, and a subset of Wnt family members (Wnt-1, Wnt-3, and Wnt-4), which are expressed in dorsal regions of the neural tube, mimic the muscle inducing activity of these tissues. In combination, Shh and either Wnt-1 or Wnt-3 are sufficient to induce myogenesis in somitic tissue in vitro. Therefore, we propose that myotome formation in vivo may be directed by the combinatorial activity of Shh secreted by ventral midline tissues (floor plate and notochord) and Wnt ligands secreted by the dorsal neural tube.

ABSTRACT The int-3 oncogene was identified as a frequent target in Mouse Mammary Tumor Virus (MMTV)-induced mammary carcinomas and encodes the intracellular domain of a novel mouse Notch gene. To investigate the role of the int-3 proto-oncogene in mouse development and carcinogenesis, we isolated cDNA clones corresponding to the entire coding potential of the int-3 proto-oncogene. We propose to name this gene Notch4 and reserve the int-3 nomenclature for references to the oncogenic form. The deduced amino acid sequence of Notch4 contains conserved motifs found in Notch proteins; however Notch4 has fewer epidermal growth factor (EGF)-like repeats and a shorter intracellular domain than other mouse Notch homologues. Comparison of the coding potential of the int-3 gene to that of Notch4 suggests that loss of the extracellular domain of Notch4 leads to constitutive activation of this murine Notch protein. In situ hybridization revealed that Notch4 transcripts are primarily restricted to endothelial cells in embryonic and adult life. Truncated Notch4 transcripts were detected in post-meiotic male germ cells. The distinct Notch4 protein features and its restricted expression pattern suggests a specific role for Notch4 during development of vertebrate endothelium.

Esophageal adenocarcinoma (EAC) arises from Barrett esophagus (BE), intestinal-like columnar metaplasia linked to reflux esophagitis. In a transgenic mouse model of BE, esophageal overexpression of interleukin-1β phenocopies human pathology with evolution of esophagitis, Barrett-like metaplasia and EAC. Histopathology and gene signatures closely resembled human BE, with upregulation of TFF2, Bmp4, Cdx2, Notch1, and IL-6. The development of BE and EAC was accelerated by exposure to bile acids and/or nitrosamines, and inhibited by IL-6 deficiency. Lgr5+ gastric cardia stem cells present in BE were able to lineage trace the early BE lesion. Our data suggest that BE and EAC arise from gastric progenitors due to a tumor-promoting IL-1β-IL-6 signaling cascade and Dll1-dependent Notch signaling.

Inappropriate activation of the Wnt/beta-catenin signaling has been implicated in the development of hepatocellular carcinoma (HCC), but exactly how beta-catenin works remains to be elucidated. To identify, in vivo, the target genes of beta-catenin in the liver, we have used the suppression subtractive hybridization technique and transgenic mice expressing an activated beta-catenin in the liver that developed hepatomegaly. We identified three genes involved in glutamine metabolism, encoding glutamine synthetase (GS), ornithine aminotransferase (OAT) and the glutamate transporter GLT-1. By Northern blot and immunohistochemical analysis we demonstrated that these three genes were specifically induced by activation of the beta-catenin pathway in the liver. In different mouse models bearing an activated beta-catenin signaling in the liver known to be associated with hepatocellular proliferation we observed a marked up-regulation of these three genes. The cellular distribution of GS and GLT-1 parallels beta-catenin activity. By contrast no up-regulation of these three genes was observed in the liver in which hepatocyte proliferation was induced by a signal-independent of beta-catenin. In addition, the GS promoter was activated in the liver of GS(+/LacZ) mice by adenovirus vector-mediated beta-catenin overexpression. Strikingly, the overexpression of the GS gene in human HCC samples was strongly correlated with beta-catenin activation. Together, our results indicate that GS is a target of the Wnt/beta-catenin pathway in the liver. Because a linkage of the glutamine pathway to hepatocarcinogenesis has already been demonstrated, we propose that regulation of these three genes of glutamine metabolism by beta-catenin is a contributing factor to liver carcinogenesis.

Emerging concepts suggest that the functional phenotype of macrophages is regulated by transcription factors that define alternative activation states. We found that RBP-J, the main nuclear transducer of signaling via Notch receptors, augmented Toll-like receptor 4 (TLR4)-induced expression of key mediators of classically activated M1 macrophages and thus of innate immune responses to Listeria monocytogenes. Notch-RBP-J signaling controlled expression of the transcription factor IRF8 that induced downstream M1 macrophage-associated genes. RBP-J promoted the synthesis of IRF8 protein by selectively augmenting kinase IRAK2-dependent signaling via TLR4 to the kinase MNK1 and downstream translation-initiation control through eIF4E. Our results define a signaling network in which signaling via Notch-RBP-J and TLRs is integrated at the level of synthesis of IRF8 protein and identify a mechanism by which heterologous signaling pathways can regulate the TLR-induced inflammatory polarization of macrophages.

Notch signaling promotes commitment of keratinocytes to differentiation and suppresses tumorigenesis. p63, a p53 family member, has been implicated in establishment of the keratinocyte cell fate and/or maintenance of epithelial self-renewal. Here we show that p63 expression is suppressed by Notch1 activation in both mouse and human keratinocytes through a mechanism independent of cell cycle withdrawal and requiring down-modulation of selected interferon-responsive genes, including IRF7 and/or IRF3. In turn, elevated p63 expression counteracts the ability of Notch1 to restrict growth and promote differentiation. p63 functions as a selective modulator of Notch1-dependent transcription and function, with the Hes-1 gene as one of its direct negative targets. Thus, a complex cross-talk between Notch and p63 is involved in the balance between keratinocyte self-renewal and differentiation.