Lageentwicklung des Proepikards und des Mündungsabschnittes des Pulmonalvenenstammes bei Xenopus laevis
Topogenesis of the proepicardium and the mouth of the common pulmonary vein in the frog Xenopus laevis
by Maike Jahr
Date of Examination:2010-04-28
Date of issue:2012-06-12
Advisor:PD Dr. Jörg Männer
Referee:PD Dr. Jörg Männer
Referee:PD Dr. Ralf Seipelt
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Abstract
English
INTRODUCTION. This study focuses on two aspects of the development of the venous heart pole that might be controlled by the specification of the left-right (L-R) body axis. These are (1) the development of the proepicardium (PE); and (2) the development of the veno-atrial connections. The PE is an embryonic progenitor cell population, which provides the epicardium, the majority of the cardiac interstitium, the coronary vasculature and possibly a sub-population of cardiomyocytes. Recent studies have documented the presence of bilaterally paired PE anlagen in several vertebrates, and species-specific differences in the fate of the left and right PE anlagen suggesting that PE development might depend on the specification of the L-R body axis. The mature heart of lung-breathing vertebrates normally shows an asymmetric arrangement of its veno-atrial connections along the L-R body axis. The systemic venous tributaries empty into the right atrium while the pulmonary venous tributaries empty into the left atrium. The ways by which this asymmetry evolves from the originally symmetrically arranged embryonic venous heart pole are poorly defined. Here, I document, for the first time, (1) the development of the PE and (2) the development of the veno-atrial connections in the frog Xenopus laevis, which is one of the most frequently used model organism in developmental biology. RESULTS 1. PE DEVELOPMENT (stages 37-46): The PE appears at stage 41 in the form of a cone-shaped accumulation of mesothelial cells covering the pericardial surface of the right horn of the sinus venosus. No such structure appears on the left sinus horn. At the end of stage 41, the tip of the cone-shaped PE establishes a firm contact with the right dorso-lateral border of the developing ventricle. Thereby, a secondary tissue bridge is established facilitating the transfer of PE cells to the heart. During stages 41-46, this cord-like tissue bridge is visible in vivo through the transparent body wall of the embryo. L-R lineage tracing using dextran-conjugated fluorescent dyes shows that the PE has a right-sided origin. RESULTS 2. DEVELOPMENT OF VENO-ATRIAL CONNECTIONS (stages 40-46): The venous pole of the embryonic heart is originally connected only to the systemic venous tributaries. Prior to the appearance of the mouth of the common pulmonary vein (MCPV), the systemic venous tributaries empty into a bilaterally symmetric chamber (sinus venosus) that is demarcated from the developing atriums by a circular ridge of tissue (sinu-atrial ridge). A solitary MCPV appears during stage 41. From the time point of its first appearance onwards, the MCPV lies cranial to the sinu-atrial ridge and to the left of the developing interatrial septum and body midline. L-R lineage tracing shows that the interatrial septum and MCPV both derive from the left body half. The common pulmonary vein, therefore, opens from the beginning into the future left atrium. The definitive veno-atrial connections are established by the formation of a septal complex that divides the lumen of the venous heart pole into systemic and pulmonary venous flow pathways. This complex arises from the anlage of the interatrial septum and the left half of the sinu-atrial ridge. CONCLUSIONS. These results show that, in Xenopus laevis, the formation of the PE and MCPV proceed in bilaterally asymmetric patterns as previously observed in chick embryos. I speculate that these bilaterally asymmetric patterns are controlled by signals from L-R signaling pathways and that the PE is an indicator for right-sidedness in Xenopus embryos. Since the L-R axis specification can be easily manipulated in frog embryos, Xenopus laevis might be a good model to uncover the role of L-R signaling pathways in the control of asymmetric formation of the PE and the MCPV.
Keywords: Heart development; Proepicardium; Common pulmonary vein; Atrial septation; Xenopus laevis; Left-right axis
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Einleitung. Die vorliegende Arbeit befasst
sich mit zwei Aspekten der Embryonal-entwicklung des venösen
Herzpoles, die möglicherweise von der Spezifizierung der
Rechts-/Links (R-L) Körperachse kontrolliert werden. Dies ist zum
einen die Entwicklung des Proepikards (PE) und zum anderen die
Entwicklung der veno-atrialen Verbindungen.
Das PE ist eine embryonale Zellpopulation, die Vorläuferzellen für
das Epikard, das kardiale Interstitium, die Koronargefäße und
möglicherweise für eine Subpopulation von Kardiomyozyten liefert.
In vorhergehenden Studien wurde die Existenz von bilateral paarigen
PE-Anlagen in mehreren Wirbeltierarten, sowie artspezifische
Unterschiede in der Entwicklung der rechten und linken PE-Anlage
dokumentiert, die nahe legen, dass die PE Entwicklung von der
Spezifizierung der R-L Körperachse abhängen könnte.
Das reife Herz von lungen-atmenden Wirbeltieren zeigt normalerweise
eine asymmetrische Anordnung der veno-atrialen Verbindungen entlang
der R-L Körperachse. Die systemischen Venenstämme münden in das
rechte Atrium, während die Lungenvenen in das linke Atrium münden.
Wie diese Asymmetrie aus dem ursprünglich bilateral symmetrisch
geformten venösen Pol des embryonalen Herzens hervorgeht, ist
bisher nur wenig verstanden.
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung des PE und die
Entwicklung der veno-atrialen Verbindungen erstmals beim Frosch
Xenopus laevis dokumentiert. Xenopus laevis ist ein in der
Entwicklungsbiologie häufig verwendeter Modellorganismus.
Ergebnisse 1; PE-Entwicklung (Stadien 37-46): Das PE bildet sich im
frühen Stadium 41 als zapfenförmige Ansammlung von Mesothelzellen
an der perikardialen Wand des rechten Horns des Sinus venosus. Im
Bereich des linken Sinushorns kommt es nicht zur Ausbildung eines
derartigen Gebildes. Das rechts gelegene PE wächst nach kranial und
bekommt im späten Stadium 41 direkten Kontakt mit dem rechten
Umfang der sich entwickelnden Kammerschleife. Hierdurch entsteht
eine strangförmige Gewebebrücke, die den Transfer von PE-Zellen zum
Herzen ermöglicht. Diese PE-Brücke lässt sich aufgrund der
Transparenz der vorderen Körperwand bis zum Stadium 46 als
eigenständiges „Herzband“ nachweisen. Ein „Cell Lineage Tracing“
mit Dextran-konjugierten Farbstoffen bestätigte, dass das PE
ausschließlich von der rechten Blastomere/Körperhälfte
stammt.
Ergebnisse 2; Entwicklung der veno-atrialen Verbindungen (Stadien
40-46): Der venöse Pol des embryonalen Herzens ist anfänglich nur
mit den systemischen Venenstämmen verbunden. Vor dem Erscheinen des
Mündungsabschnittes des Pulmonalvenenstammes (MPV) münden die
systemischen Venenstämme in ein bilateral symmetrisch geformtes
Sammelgefäß – den Sinus venosus – dessen Lumen durch eine zirkuläre
Gewebeleiste (sinu-atriale Grenzleiste) von den sich entwickelnden
Vorhöfen abgegrenzt wird. Ein solitärer MPV erscheint im Stadium
41. Vom Zeitpunkt seines ersten Erscheinens an findet sich der MPV
kranial der sinu-atrialen Grenzleiste und links von der
Körpermittellinie und der Anlage des Septum interatriale. Ein „Cell
Lineage Tracing“ zeigte, dass das interatriale Septum und der MPV
von der linken Blastomere/Körperhälfte abstammen. Der MPV liegt
somit von Anfang an im Bereich des zukünftig linken Atriums. Die
endgültigen veno-atrialen Verbindungen werden durch die Ausbildung
eines Scheidewandkomplexes geschaffen, der das Lumen des venösen
Herzpoles in einen systemisch- und einen pulmonal-venösen Anteil
teilt. Dieser Scheidewandkomplex entsteht aus der Anlage des
interatrialen Septums und der linken Hälfte der sinu-atrialen
Grenzleiste.
Schlussfolgerungen: Die vorliegenden Befunde zeigen, dass die
Entwicklung des PE und des MPV in bilateral asymmetrischen Mustern
erfolgt, wie dies zuvor schon bei Hühnerembryonen beobachtet wurde.
Es ist zu vermuten, dass diese bilateral asymmetrischen
Entwicklungsmuster von R-L Signalen beeinflusst werden und dass das
PE ein Indikator für „Rechtsseitigkeit“ bei Xenopus laevis ist. Da
die Entwicklung der R-L Körperachse bei Froschembryonen relativ
einfach manipuliert werden kann, könnte Xenopus laevis ein guter
Modellorganismus sein, um die Rolle von R-L Signalen bei der
asymmetrischen Ausbildung des PE und des MPV experimentell zu
prüfen.
Schlagwörter: Herzentwicklung; Proepikard; Pulmonalvenenstamm; Vorhofseptierung; Xenopus laevis; Rechts-Links-Achse