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.

Delta-like 4 (Dll4) is a transmembrane ligand for Notch receptors that is expressed in arterial blood vessels and sprouting endothelial cells. Here we show that Dll4 regulates vessel branching during development by inhibiting endothelial tip cell formation. Heterozygous deletion of dll4 or pharmacological inhibition of Notch signaling using γ-secretase inhibitor revealed a striking vascular phenotype, with greatly increased numbers of filopodia-extending endothelial tip cells and increased expression of tip cell marker genes compared with controls. Filopodia extension in dll4 +/− retinal vessels required the vascular growth factor VEGF and was inhibited when VEGF signaling was blocked. Although VEGF expression was not significantly altered in dll4 +/− retinas, dll4 +/− vessels showed increased expression of VEGF receptor 2 and decreased expression of VEGF receptor 1 compared with wild-type, suggesting they could be more responsive to VEGF stimulation. In addition, expression of dll4 in wild-type tip cells was itself decreased when VEGF signaling was blocked, indicating that dll4 may act downstream of VEGF as a “brake” on VEGF-mediated angiogenic sprouting. Taken together, these data reveal Dll4 as a negative regulator of vascular sprouting and vessel branching that is required for normal vascular network formation during development.

Involvement of the Notch signaling pathway in vascular development has been demonstrated by both gain- and loss-of-function mutations in humans, mice, and zebrafish. In zebrafish, Notch signaling is required for arterial identity by suppressing the venous fate in developing artery cells. In mice, the Notch4 receptor and the Delta-like 4 (Dll4) ligand are specifically expressed in arterial endothelial cells, suggesting a similar role. Here we show that the Dll4 ligand alone is required in a dosage-sensitive manner for normal arterial patterning in development. This implicates Dll4 as the specific mammalian endothelial ligand for autocrine endothelial Notch signaling, and suggests that Dll4 may be a suitable target for intervention in arterial angiogenesis.

Thymic T cell lineage commitment is dependent on Notch1 (N1) receptor–mediated signaling. Although the physiological ligands that interact with N1 expressed on thymic precursors are currently unknown, in vitro culture systems point to Delta-like 1 (DL1) and DL4 as prime candidates. Using DL1- and DL4-lacZ reporter knock-in mice and novel monoclonal antibodies to DL1 and DL4, we show that DL4 is expressed on thymic epithelial cells (TECs), whereas DL1 is not detected. The function of DL4 was further explored in vivo by generating mice in which DL4 could be specifically inactivated in TECs or in hematopoietic progenitors. Although loss of DL4 in hematopoietic progenitors did not perturb thymus development, inactivation of DL4 in TECs led to a complete block in T cell development coupled with the ectopic appearance of immature B cells in the thymus. These immature B cells were phenotypically indistinguishable from those developing in the thymus of conditional N1 mutant mice. Collectively, our results demonstrate that DL4 is the essential and nonredundant N1 ligand responsible for T cell lineage commitment. Moreover, they strongly suggest that N1-expressing thymic progenitors interact with DL4-expressing TECs to suppress B lineage potential and to induce the first steps of intrathymic T cell development.

SummaryAngiogenesis, the process by which new blood vessels arise from preexisting ones, is critical for embryonic development and is an integral part of many disease processes. Recent studies have provided detailed information on how angiogenic sprouts initiate, elongate, and branch, but less is known about how these processes cease. Here, we show that S1PR1, a receptor for the blood-borne bioactive lipid sphingosine-1-phosphate (S1P), is critical for inhibition of angiogenesis and acquisition of vascular stability. Loss of S1PR1 leads to increased endothelial cell sprouting and the formation of ectopic vessel branches. Conversely, S1PR1 signaling inhibits angiogenic sprouting and enhances cell-to-cell adhesion. This correlates with inhibition of vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A)-induced signaling and stabilization of vascular endothelial (VE)-cadherin localization at endothelial junctions. Our data suggest that S1PR1 signaling acts as a vascular-intrinsic stabilization mechanism, protecting developing blood vessels against aberrant angiogenic responses.Highlights•Sphingosine-1-phosphate receptor-1 (Edg1) is a negative regulator of angiogenesis•Loss of S1pr1 (Edg1) causes endothelial hyperplasia and derangement of the aorta•S1PR1 (Edg1) regulates cellular adhesion, motility, and VE-cadherin localization•S1PR1 (Edg1) regulates VEGF-induced VEGFR2 signaling and internalization

Blood vessels form a hierarchically organized network of arteries, capillaries and veins, which develops through a series of growth, pruning and maturation processes. In contrast to the rapidly increasing insight into the processes controlling vascular growth and, in particular, endothelial sprouting and proliferation, the conversion of immature vessels into a fully functional, quiescent vasculature remains little understood. Here we used inducible, cell type-specific genetic approaches to show that endothelial Notch signaling is crucial for the remodeling of veins and the perivenous capillary plexus, which occurs after the completion of the initial angiogenic growth phase in the retina of adolescent mice. Mutant vessels showed ectopic proliferation and sprouting, defective recruitment of supporting mural cells, and failed to downregulate the expression of VEGF receptors. Surprisingly, by contrast Notch was dispensable in the endothelium of remodeling postnatal arteries. Taken together, our results identify key processes contributing to vessel remodeling, maturation and the acquisition of a quiescent phenotype in the final stage of developmental angiogenesis.

Rationale: Endothelial cell–specific molecule 1 (Esm1) is a secreted protein thought to play a role in angiogenesis and inflammation. However, there is currently no direct in vivo evidence supporting a function of Esm1 in either of these processes. Objective: To determine the role of Esm1 in vivo and the underlying molecular mechanisms. Methods and Results: We generated and analyzed Esm1 knockout ( Esm1 KO ) mice to study its role in angiogenesis and inflammation. Esm1 expression is induced by the vascular endothelial growth factor A (VEGF-A) in endothelial tip cells of the mouse retina. Esm1 KO mice showed delayed vascular outgrowth and reduced filopodia extension, which are both VEGF-A–dependent processes. Impairment of Esm1 function led to a decrease in phosphorylated Erk1/2 (extracellular-signal regulated kinases 1/2) in sprouting vessels. We also found that Esm1 KO mice displayed a 40% decrease in leukocyte transmigration. Moreover, VEGF-induced vascular permeability was decreased by 30% in Esm1 KO mice and specifically on stimulation with VEGF-A 165 but not VEGF-A 121 . Accordingly, cerebral edema attributable to ischemic stroke–induced vascular permeability was reduced by 50% in the absence of Esm1. Mechanistically, we show that Esm1 binds directly to fibronectin and thereby displaces fibronectin-bound VEGF-A 165 leading to increased bioavailability of VEGF-A 165 and subsequently enhanced levels of VEGF-A signaling. Conclusions: Esm1 is simultaneously a target and modulator of VEGF signaling in endothelial cells, playing a role in angiogenesis, inflammation, and vascular permeability, which might be of potential interest for therapeutic applications.

Abstract Arteries are thought to be formed by the induction of a highly conserved arterial genetic program in a subset of vessels experiencing an increase in pulsatile and oxygenated blood flow. Both VEGF and Notch signalling have been shown to be essential for the initial steps of arterial specification. Here, we combined inducible genetic mosaics and transcriptomics to modulate and understand the function of these signalling pathways on cell proliferation, arterial-venous differentiation and mobilization. We observed that endothelial cells with high VEGF or Notch signalling are not genetically pre-determined and can form both arteries and veins. Importantly, cells completely lacking the Notch-Rbpj transcriptional activator complex can form arteries when the Myc-dependent metabolic and cell-cycle activity is suppressed. Thus, arterial development does not require the induction of a Notch-dependent arterial differentiation program, but rather the timely suppression of the endothelial metabolism and cell-cycle, a process preceding arterial mobilization and complete differentiation.