ABSTRACT The COPII component SEC24 mediates the recruitment of transmembrane cargoes or cargo adaptors into newly forming COPII vesicles on the ER membrane. Mammalian genomes encode four Sec24 paralogs ( Sec24a-d) , with two subfamilies based on sequence homology (SEC24A/B and C/D), though little is known about their comparative functions and cargo-specificities. Complete deficiency for Sec24d results in very early embryonic lethality in mice (before the 8 cell stage), with later embryonic lethality (E 7.5) observed in Sec24c null mice. To test the potential overlap in function between SEC24C/D, we employed dual recombinase mediated cassette exchange to generate a Sec24c c-d allele, in which the C-terminal 90% of SEC24C has been replaced by SEC24D coding sequence. In contrast to the embryonic lethality at E7.5 of SEC24C-deficiency, Sec24c c-d/c-d pups survive to term, though dying shortly after birth. Sec24c c-d/c-d pups are smaller in size, but exhibit no obvious developmental abnormality. These results suggest that tissue-specific and/or stage-specific expression of the Sec24c/d genes rather than differences in cargo function explain the early embryonic requirements for SEC24C and SEC24D.

ABSTRACT Background During infectious diseases, pro-inflammatory cytokines transiently destabilize interactions between adjacent vascular endothelial cells (ECs) to facilitate the passage of immune molecules and cells into tissues. However, in the lung the resulting vascular hyperpermeability can lead to organ dysfunction. Previous work identified the transcription factor ERG as a master regulator of endothelial homeostasis. Here we investigate whether the sensitivity of pulmonary blood vessels to cytokine-induced destabilization is due to organotypic mechanisms affecting the ability of endothelial ERG to protect lung ECs from inflammatory injury. Methods Cytokine-dependent ubiquitination and proteasomal degradation of ERG was analyzed in cultured Human Umbilical Vein ECs (HUVECs). Systemic administration of TNFα or the bacterial cell wall component lipopolysaccharide (LPS) was used to cause a widespread inflammatory challenge in mice; ERG protein levels were assessed by immunoprecipitation, immunoblot, and immunofluorescence. Murine Erg deletion was genetically induced in ECs ( Erg fl/fl ;Cdh5(PAC)Cre ERT2 ), and multiple organs were analyzed by histology, immunostaining, and electron microscopy. Results In vitro, TNFα promoted the ubiquitination and degradation of ERG in HUVECs, which was blocked by the proteasomal inhibitor MG132. In vivo, systemic administration of TNFα or LPS resulted in a rapid and substantial degradation of ERG within lung ECs, but not ECs of the retina, heart, liver, or kidney. Pulmonary ERG was also downregulated in a murine model of influenza infection. Erg fl/fl ;Cdh5(PAC)-Cre ERT2 mice spontaneously recapitulated aspects of inflammatory challenges, including lung-predominant vascular hyperpermeability, immune cell recruitment, and fibrosis. These phenotypes were associated with a lung-specific decrease in the expression of Tek , a gene target of ERG previously implicated in maintaining pulmonary vascular stability during inflammation. Conclusions Collectively, our data highlight a unique role for ERG in pulmonary vascular function. We propose that cytokine-induced ERG degradation and subsequent transcriptional changes in lung ECs play critical roles in the destabilization of pulmonary blood vessels during infectious diseases.

Factor V Leiden (F5L) is a common genetic risk factor for venous thromboembolism in humans. We conducted a sensitized ENU mutagenesis screen for dominant thrombosuppressor genes based on perinatal lethal thrombosis in mice homozygous for F5L (F5L/L) and haploinsufficient for tissue factor pathway inhibitor (Tfpi+/-). F8 deficiency enhanced survival of F5L/L Tfpi+/- mice, demonstrating that F5L/L Tfpi+/- lethality is genetically suppressible. ENU-mutagenized F5L/L males and F5L/+ Tfpi+/- females were crossed to generate 6,729 progeny, with 98 F5L/L Tfpi+/- offspring surviving until weaning. Sixteen lines exhibited transmission of a putative thrombosuppressor to subsequent generations, with these lines referred to as MF5L (Modifier of Factor 5 Leiden) 1-16. Linkage analysis in MF5L6 identified a chromosome 3 locus containing the tissue factor gene (F3). Though no ENU-induced F3 mutation was identified, haploinsufficiency for F3 (F3+/-) suppressed F5L/L Tfpi+/- lethality. Whole exome sequencing in MF5L12 identified an Actr2 gene point mutation (p.R258G) as the sole candidate. Inheritance of this variant is associated with suppression of F5L/L Tfpi+/- lethality (p=1.7x10-6), suggesting that Actr2p.R258G is thrombosuppressive. CRISPR/Cas9 experiments to generate an independent Actr2 knockin/knockout demonstrated that Actr2 haploinsufficiency is lethal, supporting a hypomorphic or gain of function mechanism of action for Actr2p.R258G. Our findings identify F8 and the Tfpi/F3 axis as key regulators in determining thrombosis balance in the setting of F5L and also suggest a novel role for Actr2 in this process.

Although the Factor V Leiden (FVL) gene variant is the most prevalent genetic risk factor for venous thrombosis, only 10% of FVL carriers will experience such an event in their lifetime. To identify potential FVL modifier genes contributing to this incomplete penetrance, we took advantage of a perinatal synthetic lethal thrombosis phenotype in mice homozygous for FVL (F5L/L) and haploinsufficient for tissue factor pathway inhibitor (Tfpi+/-) to perform a sensitized dominant ENU mutagenesis screen. Linkage analysis conducted in the 3 largest pedigrees generated from the surviving F5L/L Tfpi+/- mice ("rescues") using ENU-induced coding variants as genetic markers was unsuccessful in identifying major suppressor loci. Whole exome sequencing was applied to DNA from 107 rescue mice to identify candidate genes enriched for ENU mutations. A total of 3,481 potentially deleterious candidate ENU variants were identified in 2,984 genes. After correcting for gene size and multiple testing, Arl6ip5 was identified as the most enriched gene, though not reaching genome-wide significance. Evaluation of CRISPR/Cas9 induced loss of function in the top 6 genes failed to demonstrate a clear rescue phenotype. However, a maternally inherited (not ENU-induced) de novo mutation (Plcb4R335Q) exhibited significant co-segregation with the rescue phenotype (p=0.003) in the corresponding pedigree. Thrombosis suppression by heterozygous Plcb4 loss of function was confirmed through analysis of an independent, CRISPR/Cas9-induced Plcb4 mutation (p=0.01).

Endothelial cells (ECs) are highly specialized across vascular beds. However, given their interspersed anatomic distribution, comprehensive characterization of the molecular basis for this heterogeneity in vivo has been limited. By applying endothelial-specific translating ribosome affinity purification (EC-TRAP) combined with high-throughput RNA sequencing analysis, we identified pan EC-enriched genes and tissue-specific EC transcripts, which include both established markers and genes previously unappreciated for their presence in ECs. In addition, EC-TRAP limits changes in gene expression following EC isolation and in vitro expansion, as well as rapid vascular bed-specific shifts in EC gene expression profiles as a result of the enzymatic tissue dissociation required to generate single cell suspensions for fluorescence-activated cell sorting (FACS) or single cell RNA sequencing analysis. Comparison of our EC-TRAP to published single cell RNA sequencing data further demonstrates considerably greater sensitivity of EC-TRAP for the detection of low abundant transcripts. Application of EC-TRAP to examine the in vivo host response to lipopolysaccharide (LPS) revealed the induction of gene expression programs associated with a native defense response, with marked differences across vascular beds. Furthermore, comparative analysis of whole tissue and TRAP-selected mRNAs identified LPS-induced differences that would not have been detected by whole tissue analysis alone. Together, these data provide a resource for the analysis of EC-specific gene expression programs across heterogeneous vascular beds under both physiologic and pathologic conditions.