Summary

 Endothelial cells play essential roles in maintenance of vascular integrity, angiogenesis, and wound repair. We show that an endothelial cell-restricted microRNA (miR-126) mediates developmental angiogenesis in vivo. Targeted deletion of miR-126 in mice causes leaky vessels, hemorrhaging, and partial embryonic lethality, due to a loss of vascular integrity and defects in endothelial cell proliferation, migration, and angiogenesis. The subset of mutant animals that survives displays defective cardiac neovascularization following myocardial infarction. The vascular abnormalities of miR-126 mutant mice resemble the consequences of diminished signaling by angiogenic growth factors, such as VEGF and FGF. Accordingly, miR-126 enhances the proangiogenic actions of VEGF and FGF and promotes blood vessel formation by repressing the expression of Spred-1, an intracellular inhibitor of angiogenic signaling. These findings have important therapeutic implications for a variety of disorders involving abnormal angiogenesis and vascular leakage.

The heart responds to diverse forms of stress by hypertrophic growth accompanied by fibrosis and eventual diminution of contractility, which results from down-regulation of alpha-myosin heavy chain (alphaMHC) and up-regulation of betaMHC, the primary contractile proteins of the heart. We found that a cardiac-specific microRNA (miR-208) encoded by an intron of the alphaMHC gene is required for cardiomyocyte hypertrophy, fibrosis, and expression of betaMHC in response to stress and hypothyroidism. Thus, the alphaMHC gene, in addition to encoding a major cardiac contractile protein, regulates cardiac growth and gene expression in response to stress and hormonal signaling through miR-208.

Diverse forms of injury and stress evoke a hypertrophic growth response in adult cardiac myocytes, which is characterized by an increase in cell size, enhanced protein synthesis, assembly of sarcomeres, and reactivation of fetal genes, often culminating in heart failure and sudden death. Given the emerging roles of microRNAs (miRNAs) in modulation of cellular phenotypes, we searched for miRNAs that were regulated during cardiac hypertrophy and heart failure. We describe >12 miRNAs that are up- or down-regulated in cardiac tissue from mice in response to transverse aortic constriction or expression of activated calcineurin, stimuli that induce pathological cardiac remodeling. Many of these miRNAs were similarly regulated in failing human hearts. Forced overexpression of stress-inducible miRNAs was sufficient to induce hypertrophy in cultured cardiomyocytes. Similarly, cardiac overexpression of miR-195, which was up-regulated during cardiac hypertrophy, resulted in pathological cardiac growth and heart failure in transgenic mice. These findings reveal an important role for specific miRNAs in the control of hypertrophic growth and chamber remodeling of the heart in response to pathological signaling and point to miRNAs as potential therapeutic targets in heart disease.

Layering of neurons in the cerebral cortex and cerebellum requires Reelin, an extracellular matrix protein, and mammalian Disabled (mDab1), a cytosolic protein that activates tyrosine kinases. Here, we report the requirement for two other proteins, cell surface receptors termed very low density lipoprotein receptor (VLDLR) and apolipoprotein E receptor 2 (ApoER2). Both receptors can bind mDab1 on their cytoplasmic tails and are expressed in cortical and cerebellar layers adjacent to layers that express Reelin. mDab1 expression is upregulated in knockout mice that lack both VLDLR and ApoER2. Inversion of cortical layers and absence of cerebellar foliation in these animals precisely mimic the phenotype of mice lacking Reelin or mDab1. These findings suggest that VLDLR and ApoER2 participate in transmitting the extracellular Reelin signal to intracellular signaling processes initiated by mDab1.

Endocardial cells are thought to contribute at least in part to the formation of the endocardial cushion mesenchyme. Here, we created Tie2-Cre transgenic mice, in which expression of Cre recombinase is driven by an endothelial-specific promoter/enhancer. To analyze the lineage of Cre expressing cells, we used CAG-CAT-Z transgenic mice, in which expression of lacZ is activated only after Cre-mediated recombination. We detected pan-endothelial expression of the Cre transgene in Tie2-Cre;CAG-CAT-Z double-transgenic mice. This expression pattern is almost identical to Tie2-lacZ transgenic mice. However, interestingly, we observed strong and uniform lacZ expression in mesenchymal cells of the atrioventricular canal of Tie2-Cre;CAG-CAT-Z double-transgenic mice. We also detected lacZ expression in the mesenchymal cells in part of the proximal cardiac outflow tract, but not in the mesenchymal cells of the distal outflow tract and branchial arch arteries. LacZ staining in Tie2-Cre;CAG-CAT-Z embryos is consistent with endocardial–mesenchymal transformation in the atrioventricular canal and outflow tract regions. Our observations are consistent with previously reported results from Cx43-lacZ, Wnt1-Cre;R26R, and Pax3-Cre;R26R transgenic mice, in which lacZ expression in the cardiac outflow tract identified contributions in part from the cardiac neural crest. Tie2-Cre transgenic mice are a new genetic tool for the analyses of endothelial cell-lineage and endothelial cell–specific gene targeting.

A number of inflammatory disease states occur with greatly increased frequency in individuals inheriting the human major histocompatibility complex class I allele HLA-B27. In a minority of cases, namely those with B27-associated reactive arthritis, there is good evidence that the disease state is triggered by infection with an enteric or genitourinary bacterial pathogen. For the majority of B27-associated disease, no definite pathogenetic role for bacteria has been established. However, in these latter cases intestinal inflammation can often be demonstrated, and it sometimes occupies a major part of the clinical picture. Rats transgenic for B27 are known to develop a disorder resembling B27-associated human disease, with prominent intestinal, joint, skin, and male genital inflammatory lesions. We report here that B27 transgenic rats raised in a germfree environment do not develop inflammatory intestinal or peripheral joint disease, whereas the skin and genital inflammatory lesions are unaffected by the germfree state. These findings support the concept that gut and joint inflammation are pathogenetically closely related, and they provide direct evidence that the commensal gut flora play an important role in the pathogenesis of B27-associated gut and joint inflammation.

Obstruction of bile flow results in bacterial proliferation and mucosal injury in the small intestine that can lead to the translocation of bacteria across the epithelial barrier and systemic infection. These adverse effects of biliary obstruction can be inhibited by administration of bile acids. Here we show that the farnesoid X receptor (FXR), a nuclear receptor for bile acids, induces genes involved in enteroprotection and inhibits bacterial overgrowth and mucosal injury in ileum caused by bile duct ligation. Mice lacking FXR have increased ileal levels of bacteria and a compromised epithelial barrier. These findings reveal a central role for FXR in protecting the distal small intestine from bacterial invasion and suggest that FXR agonists may prevent epithelial deterioration and bacterial translocation in patients with impaired bile flow.

Slow- and fast-twitch myofibers of adult skeletal muscles express unique sets of muscle-specific genes, and these distinctive programs of gene expression are controlled by variations in motor neuron activity. It is well established that, as a consequence of more frequent neural stimulation, slow fibers maintain higher levels of intracellular free calcium than fast fibers, but the mechanisms by which calcium may function as a messenger linking nerve activity to changes in gene expression in skeletal muscle have been unknown. Here, fiber-type-specific gene expression in skeletal muscles is shown to be controlled by a signaling pathway that involves calcineurin, a cyclosporin-sensitive, calcium-regulated serine/threonine phosphatase. Activation of calcineurin in skeletal myocytes selectively up-regulates slow-fiber-specific gene promoters. Conversely, inhibition of calcineurin activity by administration of cyclosporin A to intact animals promotes slow-to-fast fiber transformation. Transcriptional activation of slow-fiber-specific transcription appears to be mediated by a combinatorial mechanism involving proteins of the NFAT and MEF2 families. These results identify a molecular mechanism by which different patterns of motor nerve activity promote selective changes in gene expression to establish the specialized characteristics of slow and fast myofibers.

Humans who have inherited the human class I major histocompatibility allele HLA-B27 have a markedly increased risk of developing the multi-organ system diseases termed spondyloarthropathles. To investigate the role of B27 in these disorders, we introduced the B27 and human β2-microglobulin genes into rats, a species known to be quite susceptible to experimentally induced inflammatory disease. Rats from one transgenic line spontaneously developed inflammatory disease involving the gastrointestinal tract, peripheral and vertebral joints, male genital tract, skin, nails, and heart. This pattern of organ system involvement showed a striking resemblance to the B27-associated human disorders. These results establish that B27 plays a central role in the pathogenesis of the multi-organ system processes of the spondyloarthropathies. Elucidation of the role of B27 should be facilitated by this transgenic model.