Abstract

 Notch proteins are cell surface receptors that mediate developmental cell specification events. To explore the function of murine Notch1, an essential portion of the gene was flanked with loxP sites and inactivation induced via interferon-regulated Cre recombinase. Mice with a neonatally induced loss of Notch1 function were transiently growth retarded and had a severe deficiency in thymocyte development. Competitive repopulation of lethally irradiated wild-type hosts with wild-type- and Notch1-deficient bone marrow revealed a cell autonomous blockage in T cell development at an early stage, before expression of T cell lineage markers. Notch1-deficient bone marrow did, however, contribute normally to all other hematopoietic lineages. These findings suggest that Notch1 plays an obligatory and selective role in T cell lineage induction.

ABSTRACT We employed two independent approaches to inactivate the angiogenic protein VEGF in newborn mice: inducible, Cre-loxP-mediated gene targeting, or administration of mFlt(1-3)-IgG, a soluble VEGF receptor chimeric protein. Partial inhibition of VEGF achieved by inducible gene targeting resulted in increased mortality, stunted body growth and impaired organ development, most notably of the liver. Administration of mFlt(1-3)-IgG, which achieves a higher degree of VEGF inhibition, resulted in nearly complete growth arrest and lethality. Ultrastructural analysis documented alterations in endothelial and other cell types. Histological and biochemical changes consistent with liver and renal failure were observed. Endothelial cells isolated from the liver of mFlt(1-3)-IgG-treated neonates demonstrated an increased apoptotic index, indicating that VEGF is required not only for proliferation but also for survival of endothelial cells. However, such treatment resulted in less significant alterations as the animal matured, and the dependence on VEGF was eventually lost some time after the fourth postnatal week. Administration of mFlt(1-3)-IgG to juvenile mice failed to induce apoptosis in liver endothelial cells. Thus, VEGF is essential for growth and survival in early postnatal life. However, in the fully developed animal, VEGF is likely to be involved primarily in active angiogenesis processes such as corpus luteum development.

The role of Notch signaling in growth/differentiation control of mammalian epithelial cells is still poorly defined. We show that keratinocyte-specific deletion of the Notch1 gene results in marked epidermal hyperplasia and deregulated expression of multiple differentiation markers. In differentiating primary keratinocytes in vitro endogenous Notch1 is required for induction of p21WAF1/Cip1 expression, and activated Notch1 causes growth suppression by inducing p21WAF1/Cip1 expression. Activated Notch1 also induces expression of 'early' differentiation markers, while suppressing the late markers. Induction of p21WAF1/Cip1 expression and early differentiation markers occur through two different mechanisms. The RBP-Jkappa protein binds directly to the endogenous p21 promoter and p21 expression is induced specifically by activated Notch1 through RBP-Jkappa-dependent transcription. Expression of early differentiation markers is RBP-Jkappa-independent and can be induced by both activated Notch1 and Notch2, as well as the highly conserved ankyrin repeat domain of the Notch1 cytoplasmic region. Thus, Notch signaling triggers two distinct pathways leading to keratinocyte growth arrest and differentiation.

Nuocytes are innate cells with critical roles during infection with parasitic worms. McKenzie and colleagues show that nuocytes differentiate from common lymphoid progenitors and require IL-7, IL-33, Notch and RORα for development. Nuocytes are essential in innate type 2 immunity and contribute to the exacerbation of asthma responses. Here we found that nuocytes arose in the bone marrow and differentiated from common lymphoid progenitors, which indicates they are distinct, previously unknown members of the lymphoid lineage. Nuocytes required interleukin 7 (IL-7), IL-33 and Notch signaling for development in vitro. Pro-T cell progenitors at double-negative stage 1 (DN1) and DN2 maintained nuocyte potential in vitro, although the thymus was not essential for nuocyte development. Notably, the transcription factor RORα was critical for the development of nuocytes and their role in the expulsion of parasitic worms.

We have described and cloned previously a factor (MTF-1) that binds specifically to heavy metal-responsive DNA sequence elements in the enhancer/promoter region of metallothionein genes. MTF-1 is a protein of 72.5 kDa that contains six zinc fingers and multiple domains for transcriptional activation. Here we report the disruption of both alleles of the MTF-1 gene in mouse embryonic stem cells by homologous recombination. The resulting null mutant cell line fails to produce detectable amounts of MTF-1. Moreover, due to the loss of MTF-1, the endogenous metallothionein I and II genes are silent, indicating that MTF-1 is required for both their basal and zinc-induced transcription. In addition to zinc, other heavy metals, including cadmium, copper, nickel and lead, also fail to activate metal-responsive promoters in null mutant cells. However, cotransfection of an MTF-1 expression vector and metal-responsive reporter genes yields strong basal transcription that can be further boosted by zinc treatment of cells. These results demonstrate that MTF-1 is essential for metallothionein gene regulation. Finally, we present evidence that MTF-1 itself is a zinc sensor, which exhibits increased DNA binding activity upon zinc treatment.

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.

We have recently reported that Notch 1, a member of the Notch multigene family, is essential for the development of murine T cells. Using a mouse model in which Notch 1 is inactivated in bone marrow (BM) precursors we have shown that B cells instead of T cells are found in the thymus of BM chimeras. However, it is not clear whether these B cells develop by default from a common lymphoid precursor due to the absence of Notch 1 signaling, or whether they arise as a result of perturbed migration of BM-derived B cells and/or altered homeostasis of normal resident thymic B cells. In this report we show that Notch 1–deficient thymic B cells resemble BM B cells in phenotype and turnover kinetics and are located predominantly in the medulla and corticomedullary junction. Peripheral blood lymphocyte analysis shows no evidence of recirculating Notch1−/− BM B cells. Furthermore, lack of T cell development is not due to a failure of Notch1−/− precursors to home to the thymus, as even after intrathymic reconstitution with BM cells, B cells instead of T cells develop from Notch 1–deficient precursors. Taken together, these results provide evidence for de novo ectopic B cell development in the thymus, and support the hypothesis that in the absence of Notch 1 common lymphoid precursors adopt the default cell fate and develop into B cells instead.

CD4+ T helper cells differentiate into T helper 1 (Th1) or Th2 effector lineages, which orchestrate immunity to different types of microbes. Both Th1 and Th2 differentiation can be induced by Notch, but what dictates which of these programs is activated in response to Notch is not known. By using T cell-specific gene ablation of the Notch effector RBP-J or the Notch1 and 2 receptors, we showed here that Notch was required on CD4+ T cells for physiological Th2 responses to parasite antigens. GATA-3 was necessary for Notch-induced Th2 differentiation, and we identified an upstream Gata3 promoter as a direct target for Notch signaling. Moreover, absence of GATA-3 turned Notch from a Th2 inducer into a powerful inducer of Th1 differentiation. Therefore, Gata3 is a critical element determining inductive Th2 differentiation and limiting Th1 differentiation by Notch.

The crucial role of individual Notch receptors and the mechanism by which they maintain intestinal crypt progenitor cells were assessed by using a series of inducible gut‐specific Notch mutant mice. We found that Notch1 and Notch2 receptors function redundantly in the gut, as only simultaneous loss of both receptors results in complete conversion of proliferating crypt progenitors into post‐mitotic goblet cells. This conversion correlates with the loss of Hes1 expression and derepression of the cyclin‐dependent kinase (CDK) inhibitors p27 Kip1 and p57 Kip2 . We also found that the promoter of both CDK inhibitor genes is occupied by the Notch effector Hes1 in wild‐type crypt progenitor cells. Thus, our results indicate that Notch‐mediated Hes1 expression contributes to the maintenance of the proliferative crypt compartment of the small intestine by transcriptionally repressing two CDK inhibitors.