35
Background Hypothesis Knockdown Overexpression Gene Targets Future Direc=ons Dyrk1a Intro The Role of Foxc1 During the Differen=a=on of Embryonic Stem Cells into Cardiomyocytes Monday December 1, 2014 CommiMee Mee=ng Erin Lambers

The role of Foxc1 during the differentiation of embryonic stem cells into cardiomyocytes

Embed Size (px)

Citation preview

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons            Dyrk1a  Intro                  

The  Role  of  Foxc1  During    the  Differen=a=on  of  Embryonic  Stem  Cells  into  

Cardiomyocytes    

Monday  December  1,  2014  CommiMee  Mee=ng    

Erin  Lambers    

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  Background  

Cardiovascular  Disease  is  the  #1  Cause  of  Death  Worldwide  

World  Health  Organiza=on    

2011:  

17  million  people    died  from  cardiovascular  

disease  

U.S.  Healthcare  System  $300  billion  annually  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Myocyte  Loss  and  Dysfunc=on  

Background  

Myocardial  Infarc=on  

Chronic  hypertension  

Aging  

Embryonic  Stem  Cell  Differen=a=on  

Endothelial     Fibroblast    

Func?onal  Cardiomyocytes  

Molecular  Circuitry                              ?  

Role  of  Foxc1  in  Heart  Development  

Smooth    Muscle    

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

FoxC1  muta=ons  causes  heart  malforma=ons  

Chr.  6  (6p25)   Axenfeld-­‐Rieger  Anomaly:    

Eye  Malforma?ons:    -­‐Displacement  of  the  pupil  and  -­‐Hypoplasia  of  the  iris  

 Palmer  et  al,  1992    Winnier  et  al,  1998  

“Holes  in  the  Heart”  

Heart  Malforma?ons:    -­‐Hypoplasia  of  Atrial  and  Ventricular  Septums  

Background  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Foxc1  Muta=ons  in  Mice  also  causes  heart  malforma=ons  

 Wildtype   Foxc1  Mutant  Ventricular  Septal  

Defect  

     Reduced  thickness  

myocardium  

Background  

Winnier  1999    

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

•  “Forkhead  Box”  Transcrip=on  Factors    

•  All  contain  Winged  Helix  Domains  

FOXC1  

Foxc1  structure  and  func=on  

 •  Core  Consensus  

Binding  Site    

Background  

Foxc1  Targets  in  the  heart?  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specifica=on  of  Cardiac  Cell  Lineages  in  Development  Foxc1  Targets  in  the  Second  Heart  Field  

 

Cardiac''Mesoderm'

FHF'Progenitor' SHF'Progenitor'

Mesp1+'Flk1+'

Tbx5+'Nkx2.5+'Mef2c+'Gata4+'

Isl1+'Tbx1+'Nkx2.5+'Mef2c+'Gata4+'

Mesoderm'Brachyury+'

A'

B' E7.0'

Cardiac'Crescent'

LV'myocytes''

Atrial'myocytes''

ConducNon'cells''

E9.0'

Cardiac'Looping'

Adult'Heart'

Right'ventricular'myocytes'Atrial'myocytes'

RConducNon'Cells'

''RVascular'SMCs'

REndothelial'Cells'

FHF'

SHF' RV' LV' RA' LV'

RV'

LA'OFT'

Huansheng  Xu,  2004  

TBX1  +/+  

TBX1  -­‐/-­‐  

Olson  Nature  Review  2013  

Seo,  2006    Developmental  Biology  

Background  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  Background  

Summary  of  what  is  known  and  unknown    

What  is  known:  •  FoxC1  muta=ons    are  associated  with  heart  malforma=ons  in  humans  

and  mice  •  FoxC1  is  known  to  directly  regulate  Tbx1,  necessary  for  forma=on  of  

the  OFT,  which  is  restricted  to  the  SHF  •  FoxC1  mutants  have  more  severe  heart  malforma=ons  than  TBX1  

mutants  including  hypoplasia  of  both  ventricles  •  FoxC1  expression  extends  across  both  heart  fields  as  early  as  the  

cardiac  crescent  stage  E7.5  What  is  unknown:  •  Other  transcrip=onal  direct  targets  of  Foxc1  during  heart  

development  that  could  explain  defects  in  both  heart  fields  •  The  specific  cell  types  in  the  heart  in  which  Foxc1  func=ons  during  

early  cardiac  development        

 

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  Hypothesis  

Central  Hypothesis  

Foxc1  is  cri=cal  for  ESC  differen=a=on  in  the  func=onal  cardiomyocytes  through  the  direct  regula=on  of  downstream  gene  networks  

Func?onal  Cardiomyocytes  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aims  

Hypothesis  

Test  the  central  hypothesis  with  3  specific  aims:    

   Specific  Aim  1:  To  determine  if  Foxc1  is  necessary  for  the    differen=a=on  of  ESCs  into  func=onal  cardiomyocyte  

Specific  Aim  3:  To  determine  the  gene  targets  that  are  directly  regulated  by  Foxc1  during  cardiac  differen=a=on  

Specific  Aim  2:  To  determine  if  Foxc1  is  sufficient  to  increase  ESC  differen=a=on  into  func=onal  cardiomyocytes  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Hanging  Drop  48hrs  5,000  cell/  20ul      

8  day  differen=a=on  

.1%  Gela=n  coated  plates  

D0   D2   D4   D6   D8  

ESC  as  a  model  to  study  cardiac  differen=a=on:  Hanging  Drop  method  of  Embryoid  Body  Forma=on  

Assess  the  =ming  of  Foxc1  Expression  

Hypothesis  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

0  

5  

10  

15  

D0     D2     D4     D6     D8    

Rela?v

e  Expression

 to    ESC  D0    

(normalized

 to  18S)    

Foxc1  

0  

0.5  

1  

1.5  

D0     D2     D4     D6     D8    

Rela?v

e  Expression

   to

   ESC  D0    

(normalized

 to  18S)    

Oct4  

0  

10  

20  

30  

40  

D0     D2     D4     D6     D8    Rela?v

e  Expression

 to  ESC  D0    

(normalized

 to  18S)     Brachury  

0  1  2  3  4  5  

D0     D2     D4     D6     D8    Rela?v

e  Expression

   to  ESC  D0    

(normalized

 to  18S)     Nkx2.5  

Hypothesis  

ESC  as  a  model  to  study  cardiac  differen=a=on:  Timing  of  Foxc1  expression    

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aim  1:    ESC  Model  and  Differen=a=on  Methods  

Knockdown  

   

Specific  Aim  1:  To  determine  if  Foxc1  is  necessary  for  the  early  differen=a=on  of  ESCs  into  func=onal  cardiomyocyte  lineages    

Nkx2.5  GFP  Reporter  cells    

NeoR  Nkx2.5-­‐EmGFP  

Nkx2-­‐5  locus  on    mouse  Chromosome  13  

Exon1   Exon1  

Endogenous  Nkx2-­‐5  Promoter    

Transduce  with  Len?viral  Par?cles  shRNA  against  Foxc1  or  Scrambled  shRNA  Control  

1)  Nkx-­‐ESC-­‐KD  

2)  Nkx-­‐ESC-­‐ScrCrl  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

0  

0.5  

1  

1.5  

Nkx-­‐ESC-­‐ScrCtrl   Nkx-­‐ESC-­‐KD  

570n

m  OD  Fold  

Chan

ge  to

 Nkx-­‐ESC-­‐

Scr  C

trl  

MTT  Prolifera?on  Assay  

0  20  40  60  80  

100  120  

Nkx-­‐ESC-­‐ScrCtrl   Nkx-­‐ESC-­‐KD  Rela?v

e  Expression

   to  Nkx-­‐ESC  Scr.  C

trl    

(normalized

 to  18S  )  

FOXC1   FOXC2  Nkx-­‐ESC-­‐ScrCtrl  

Nkx-­‐ESC-­‐  Foxc1  KD  

N.S  

*  

Specific  Aim  1:  Preliminary  Data  Foxc1  KD  does  not  effect  pluripotent  proper=es  

Knockdown  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  SSC  

FSC  

Scr.  Ctrl  EB  D6  

           FITC

 (GFP)          

           PI  (Live/Dead)          

16.2  

           FITC

 (GFP)          

           PI  (Live./Dead)          

Nkx-­‐ESC-­‐ScrCtrl  Undifferen?ated  0.7  

Specific  Aim  1:  Preliminary  Data  Foxc1  KD  decreases  number  of  nkx2.5+  cells  

Knockdown  

Foxc1-­‐KD  EB  D6  

           FITC

 (GFP)          

           PI  (Live/Dead)          

11.6  

0  

0.5  

1  

1.5  

Scr  Ctrl     Foxc1-­‐KD  Rela?v

e  Expression

 to  

Scr.  Ctrl  D6

 (Normalized

 to  18s)  

Nkx2.5  

*  

0  0.2  0.4  0.6  0.8  1  

1.2  

 Nkx2.5+  Live  Ce

lls  

Fold  Cha

nge  to  Ctrl    

**  

*  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

•  Assess  cardiomyocyte  marker  expression  (Isl1,  Gata4,  Mef2c,  CTT,  alpha-­‐MHC)    •  Quan=fy  the  number  of  bea=ng  EBs    •  Assess  if  EB  can  respond  to  external  s=muli  and  beat  in  synchrony  using  electrophysiological  calcium  handling  studies  

 

Specific  Aim  1:    Future  Assessments  

Knockdown  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aims  

   Specific  Aim  1:  To  determine  if  Foxc1  is  necessary  for  the  differen=a=on  of  ESCs  into  func=onal  cardiomyocyte  

Specific  Aim  3:  To  determine  the  gene  targets  that  are  directly  regulated  by  Foxc1  during  early  cardiac  differen=a=on  

Specific  Aim  2:  To  determine  if  Foxc1  overexpression  is  sufficient  to  increase  ESC  differen?a?on  into  func?onal  cardiomyocytes  

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Puro   Foxc1  ORF  

hCMV    Promoter  

                                               

ROSA26  Locus    on  mouse  Chromosome  6  

SA-­‐tTA   IRES   Venus  

Rosa26  Promoter  

His6-­‐FLAG  

Tet-­‐off  System  (+)  Dox  the  tTA  protein  is  sequestered  and  cannot  bind  the  hCMV  promoter      

(-­‐)  Dox  the  tTA  protein  is  binds  the  hCMV  promoter  thereby  ac?ving  hCMV  and  overexpressing  exogenous  Foxc1        

Specific  Aim  2:  Foxc1  is  sufficient  to  increase  ESC  differen=a=on  into  func=onal  cardiomyocytes  

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

0  

5  

10  

ESC  (+)  DOX  48hr  

ESC  (-­‐)  DOX  48hr  

Rela?v

e  Expression

 to  (+

)  Dox  

Foxc1  

Foxc1  

Foxc2  

Gapdh  

*  0.6  

FITC

   (GFP)  

PI    (Alive/Dead)  

(+)  DOX  48hrs  

91.8  

PI    (Alive/Dead)  FITC

   (GFP)  

(-­‐  )DOX  48hrs  

(+  )  DOX  48hrs   (-­‐)  DOX  48hrs  

Specific  Aim  2:  Preliminary  Data  Valida=on  of  Foxc1  Tet-­‐Off  System    

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

0  0.2  0.4  0.6  0.8  1  

1.2  1.4  

C57  Wt  ESC   Foxdox  ESC  

570n

m  OD    

Fold  Cha

nge  to  (+

)DOX  ESC  

MTT  Prolifera?on  Assay  (+)DOX  48hrs   (-­‐)  DOX  48hrs  

***  

FoxDox-­‐ESCs  (+)  DOX  48hrs  

FoxDox-­‐ESCs  (-­‐)  DOX  48hrs  

Specific  Aim  2  Preliminary  Data:  Foxc1  OE  decreases  prolifera=on  and  induces  differen=a=on  

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

D6  

10X  

10X  

D6  

10X  

10X  

D1  

D1  

-­‐  DOX  

+  DOX  

0  2  4  6  8  

(+)  Dox  EB  D6   (-­‐)  Dox  EB  D6  Rela?v

e  Expression

 to  ESC    D

0  +D

OX  

(Normalized

 to  18S)   Foxc1  

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aim  2  Preliminary  Data:  Foxc1  OE  Enhances  early  markers  of  cardiomyocyte  commitment  

Overexpression  

D  

0  

1  

2  

3  

4  

(+)  Dox  EB  D6  (-­‐)  Dox  EB  D6  

Rela?v

e  Expression

 to  

ESC    D0  +D

OX   Nkx2-­‐5   *  

0  2  4  6  8  

10  

(+)  Dox  EB  D6   (-­‐)  Dox  EB  D6  Rela?v

e  Expression

 to  ESC    D

0  +D

OX  

Gata4  

*  

0  

20  

40  

60  

(+)  Dox  EB  D6   (-­‐)  Dox  EB  D6  Rela?v

e  Expression

 to  ESC    D

0  +D

OX  

(Normalized

 to  18S)   Mef2c  

*  

0  10  20  30  40  50  

(+)  Dox  EB  D6   (-­‐)  Dox  EB  D6  Rela?v

e  Expression

 to  ESC    D

0  +D

OX  

(Normalized

 to  18S)  

Isl1  

*  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aim  2  Preliminary  Data:  Foxc1  OE  Enhances  Markers  of  fully  commiMed  cardiomyocytes  

Overexpression  

0  10  20  30  40  50  

(+)  Dox  EB  D6   (-­‐)  Dox  EB  D6  Rela?v

e  Expression

 to  

ESC    D0  +D

OX  

(Normalized

 to  18S)  

Alpha-­‐MHC  *  

0  2  4  6  8  

10  

(+)  Dox  EB  D6   (-­‐)  Dox  EB  D6  Re

la?v

e  Expression

 to  

ESC    D0  +D

OX  

(Normalized

 to  18S)  

Cardiac  Troponin  T  

*  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aim  2  Preliminary  Data:    Embryoid  Body  Bea=ng  with  Endogenous  Foxc1    

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

0  2  4  6  8  

10  12  14  16  

(+)  DOX   (-­‐)  Dox  Pe

rcen

t  of  B

ea?n

g  

Specific  Aim  2  Preliminary  Data:    Embryoid  Body  Bea=ng  with  Overexpression  Foxc1    

*  

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

•  Assess  cardiomyocyte  marker  expression    at  Day  10  to  substan=ate  bea=ng  data    

(Isl1,  Gata4,  Mef2c,  CTT,  alpha-­‐MHC)    •  Assess  if  EB  can  respond  to  external  s=muli  and  beat  in  synchrony  using  calcium  handling  studies  

 

Specific  Aim  1:    Future  Assessments  

Overexpression  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aims  

Test  the  central  hypothesis  with  3  specific  aims:    

   Specific  Aim  1:  To  determine  if  Foxc1  is  necessary  for  the  early  differen=a=on  of  ESCs  into  func=onal  cardiomyocyte  lineages    

Specific  Aim  3:  To  determine  the  gene  targets  that  are  directly  regulated  by  Foxc1  during  early  cardiac  differen?a?on  

Specific  Aim  2:  To  determine  if  Foxc1  is  sufficient  to  increase  ESC  differen?a?on  into  func?onal  cardiomyocytes  

Gene  Targets  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Mef2c  

Nkx2.5  Cow  

Chimpanzee  Human  

Cow  

Chimpanzee  

Human  

Foxc1  Binding  sites  Found  in  gene  upregulated  aner  Foxc1  Overexpression  

Gene  Targets  

Searched  10KB  upstream  of  genes  found  to  be  upregulate  aner  Foxc1  Overexpression    

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Preliminary  RNA-­‐Seq  Results:  Up-­‐regula=on  of  genes  involved  in  cardiomyocyte  func=on  

1543  

1983  

Differen?ally  regulated  gene  in  Foxc1  

Overexpressing  EBs  at  Day  6    

Upregulatd   Downregulated  

42  

22  20  

19  

17  

16  

 Up-­‐regulated  Genes  Involved  in  Cardiomyocyte  func?on  

Focal  adhesion  

Regula=on  of  ac=n  cytoskeleton  Cell  adhesion  molecules  (CAMs)  Calcium  signaling  pathway  Gap  junc=on  

Tight  junc=on  

Gene  Targets  

RNA-­‐sequencing  to  assess  gene  pathways  that  may  be  regulated  by  foxc1  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aim  3:  Experimental  Design      

Gene  Targets  

1)  Differen=ate  wt  ESCs  un=l  Embryoid  Body  Day  6  

2)  Fix/crosslink  cells  for  ChIP-­‐Seq  

3)  Pull  down  Foxc1  using  an=body  

4)  Analyze  the  genomic  sequences  that  are  pulled  down  

 Goal:  Gain  a  comprehensive  list  of  genes  directly  regulated  by  Foxc1  Genome  wide  high  through  put  ChIP-­‐sequencing  analysis  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Specific  Aim  3    

1)  I  expect  ChIP  sequencing  to  come  up  with  a  long  list  of  targets  

•  Narrow  Down  targets  ChIP  sequencing  results  via  func=on        1)  Development  of  the  heart      2)  Cardiomyocyte  func=on    Pick  the  top  ten  and  the  RNA-­‐seq  (differen=al  regula=on)    

 2)  Demonstrate  foxc1  regula=on  through  the  puta=ve  binding  site  with  luciferase  assays    

 Co-­‐tranfec=on  of  Cells  with  Foxc1  and  Luciferase  constructs    1)  Mutated  binding  site        2)  Wild-­‐type  binding  site  

Assess  luciferase  ac=vity    

Gene  Targets  

Specific  Aim  3:  Experimental  Design      

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Transcrip?on  ac?vator-­‐like  effector  nucleases  (TALENs)  are  ar=ficial  restric=on  enzymes  generated  by  fusing  a  TAL  effector  DNA  binding  domain  to  a  DNA  cleavage  domain.  

Talen  Edi=ng:  To  test  func=onal  relevance  of  Foxc1  binding  site  in  the  puta=ve  target  gene  

Future  Direc?ons  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Target  Expression  

FOXC  1  

Target  gene  

To  test  func=onal  relevance  of  target  genes  binding  site      

TALEN  (Transcrip?on  ac?vator-­‐like  

effector  nucleases)  

 

FOXC  1  

FoxC1  Binding  Site                AAAAACA  

Future  Direc?ons  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

So  What?      1)  These  studies  will  shed  light  on  the  molecular  circuitry  guiding  ESC  differen=a=on  into  cardiomyocytes    2)  May  lead  us  develop  strategies  for  cardiac  regenera=on  with  therapeu=c  poten=al  

Future  Direc?ons  

Background          Hypothesis              Knockdown          Overexpression            Gene  Targets          Future  Direc=ons  

Thank  you!    Future  Direc?ons  

Ques=ons?