Cleidocranial dysplasia (CCD) is an autosomal-dominant condition characterized by hypoplasia/aplasia of clavicles, patent fontanelles, supernumerary teeth, short stature, and other changes in skeletal patterning and growth. In some families, the phenotype segregates with deletions resulting in heterozygous loss of CBFA1, a member of the runt family of transcription factors. In other families, insertion, deletion, and missense mutations lead to translational stop codons in the DNA binding domain or in the C-terminal transactivating region. In-frame expansion of a polyalanine stretch segregates in an affected family with brachydactyly and minor clinical findings of CCD. We conclude that CBFA1 mutations cause CCD and that heterozygous loss of function is sufficient to produce the disorder.

Abstract

 Venous malformations (VMs), the most common errors of vascular morphogenesis in humans, are composed of dilated, serpiginous channels. The walls of the channels have a variable thickness of smooth muscle; some mural regions lack smooth muscle altogether. A missense mutation resulting in an arginine-to-tryptophan substitution at position 849 in the kinase domain of the receptor tyrosine kinase TIE2 segregates with dominantly inherited VM in two unrelated families. Using proteins expressed in insect cells, we demonstrate that the mutation results in increased activity of TIE2. We conclude that an activating mutation in TIE2 causes inherited VMs in the two families and that the TIE2 signaling pathway is critical for endothelial cell–smooth muscle cell communication in venous morphogenesis.

Hox genes regulate patterning during limb development. It is believed that they function in the determination of the timing and extent of local growth rates. Here, it is demonstrated that synpolydactyly, an inherited human abnormality of the hands and feet, is caused by expansions of a polyalanine stretch in the amino-terminal region of HOXD13. The homozygous phenotype includes the transformation of metacarpal and metatarsal bones to short carpal- and tarsal-like bones. The mutations identify the polyalanine stretch outside of the DNA binding domain of HOXD13 as a region necessary for proper protein function.

Members of the Snail family of transcription factors have been shown to induce epithelial-mesenchymal transition (EMT), a fundamental mechanism of embryogenesis and progressive disease. Here, we show that Snail and Slug promote formation of β-catenin–T-cell factor (TCF)-4 transcription complexes that bind to the promoter of the TGF-β3 gene to increase its transcription. Subsequent transforming growth factor (TGF)-β3 signaling increases LEF-1 gene expression causing formation of β-catenin–lymphoid enhancer factor (LEF)-1 complexes that initiate EMT. TGF-β1 or TGF-β2 stimulates this signaling mechanism by up-regulating synthesis of Snail and Slug. TGF-β1- and TGF-β2-induced EMT were found to be TGF-β3 dependent, establishing essential roles for multiple TGF-β isoforms. Finally, we determined that β-catenin–LEF-1 complexes can promote EMT without upstream signaling pathways. These findings provide evidence for a unified signaling mechanism driven by convergence of multiple TGF-β and TCF signaling molecules that confers loss of cell–cell adhesion and acquisition of the mesenchymal phenotype.

Angiogenesis is an essential component of skeletal development and VEGF signaling plays an important if not pivotal role in this process. Previous attempts to examine the roles of VEGF in vivo have been largely unsuccessful because deletion of even one VEGF allele leads to embryonic lethality before skeletal development is initiated. The availability of mice expressing only the VEGF120 isoform (which do survive to term) has offered an opportunity to explore the function of VEGF during embryonic skeletal development. Our study of these mice provides new in vivo evidence for multiple important roles of VEGF in both endochondral and intramembranous bone formation, as well as some insights into isoform-specific functions. There are two key differences in vascularization of developing bones between wild-type and VEGF(120/120) mice. VEGF(120/120) mice have not only a delayed recruitment of blood vessels into the perichondrium but also show delayed invasion of vessels into the primary ossification center, demonstrating a significant role of VEGF at both an early and late stage of cartilage vascularization. These findings are the basis for a two-step model of VEGF-controlled vascularization of the developing skeleton, a hypothesis that is supported by the new finding that VEGF is expressed robustly in the perichondrium and surrounding tissue of cartilage templates of future bones well before blood vessels appear in these regions. We also describe new in vivo evidence for a possible role of VEGF in chondrocyte maturation, and document that VEGF has a direct role in regulating osteoblastic activity based on in vivo evidence and organ culture experiments.

Identifying mutations that cause specific osteochondrodysplasias will provide novel insights into the function of genes that are essential for skeletal morphogenesis. We report here that an autosomal dominant form of Stickler syndrome, characterized by mild spondyloepiphyseal dysplasia, osteoarthritis, and sensorineural hearing loss, but no eye involvement, is caused by a splice donor site mutation resulting in "in-frame" exon skipping within the COL11A2 gene, encoding the alpha 2(XI) chain of the quantitatively minor fibrillar collagen XI. We also show that an autosomal recessive disorder with similar, but more severe, characteristics is linked to the COL11A2 locus and is caused by a glycine to arginine substitution in alpha 2(XI) collagen. The results suggest that mutations in collagen XI genes are associated with a spectrum of abnormalities in human skeletal development and support the conclusion of others, based on studies of murine chondrodysplasia, that collagen XI is essential for skeletal morphogenesis.

To directly examine the role of vascular endothelial growth factor (VEGFA) in cartilage development, we conditionally knocked out Vegfa in chondrocytes, using the Col2a1 promoter to drive expression of Cre recombinase. Our study of Vegfa conditional knockout (CKO) mice provides new in-vivo evidence for two important functions of VEGFA in bone formation. First, VEGFA plays a significant role in both early and late stages of cartilage vascularization, since Vegfa CKO mice showed delayed invasion of blood vessels into primary ossification centers and delayed removal of terminal hypertrophic chondrocytes. Second, VEGFA is crucial for chondrocyte survival, since massive cell death was seen in joint and epiphyseal regions of Vegfa CKO endochondral bones. Chondrocytes in these regions were found to upregulate expression of Vegfa in wild-type mice at the time when massive cell death occurred in the Vegfa CKO mice. The expression of the VEGFA receptors Npr1 and Npr2 in epiphyseal chondrocytes and lack of blood vessel reduction in the vicinity of the cartilaginous elements in the Vegfa CKO mice raise the possibility that the observed cell death is the result of a direct involvement of VEGFA in chondrocyte survival. Interestingly, the extensive cell death seen in Vegfa CKO null bones had a striking similarity to the cell death phenotype observed when hypoxia-inducible factor 1 alpha (Hif1a) expression was abolished in developing cartilage. This similarity of cell death phenotypes and the deficient VEGFA production in Hif1a null epiphyseal chondrocytes demonstrate that HIF1 alpha and VEGFA are components of a key pathway to support chondrocyte survival during embryonic bone development.