Fibroblast growth factor 10 and mesenchymal lineage commitment in the mouse lung during development and disease

Abstract

FGF10 belongs to a family of evolutionary-conserved peptides that are involved in embryonic organogenesis as well as postnatal homeostasis. During embryonic lung development, Fgf10-expressing cells define the domain for directional growth of epithelial buds and thus orchestrate branching morphogenesis. Disruption of FGF10 signaling not only leads to failure in branching but also to malformation of various mesenchymal lineages. Here, we generated a knock-in mouse line that allows lineage tracing of Fgf10-expressing cells during development and postnatally in a time-controlled manner.Our validation studies show that: The Fgf10iCre knock-in line faithfully reports Fgf10 expression in many organs and tissues during embryonic development The insertion of Cre-ERT2 cassette in exon 1 led to the deletion of intronic sequences that are critical for the maintenance of Fgf10 expression over time. In spite of that, prolonged tamoxifen exposure enables the labeling of a considerable number of Fgf10-expressing cells in the postnatal lung.Our findings from the lineage-tracing studies demonstrate that: Fgf10-expressing cells are potent mesenchymal progenitors in vivo Fgf10-expressing cells from early lung development give rise to parabronchial and vascular smooth muscle cells as well aslipofibroblasts during late development Fgf10-expressing cells from late lung development and postnatally areprecursors for lipofibroblasts rather than alveolar myofibroblasts During adult life, these cells represent a subpopulation of residentMSCs that, upon bleomycin injury, give rise to activated myofibroblasts Recombinant FGF10 is capable of acting on mesenchymal cells to induce the lipofibroblast phenotype Our findings suggest that these cells can be a potential target for treating lung fibrosis in humans.Thus, we propose a model in which Fgf10-expressing cells represent a population of resident mesenchymal stem cells that reside in the adult lung. Under homeostatic conditions, these cells give rise to lipofibroblasts. Injury to AEC II leads to a decrease in PTHrP/PPARgamma signaling and increase in TGF-beta and Wnt signaling, leading to their transdifferentiation to activated myofibroblasts. FGF10 gehört zu einer Peptidfamilie, die im Laufe der Evolution stark konserviert wurde. Diese Peptide sind sowohl an der embryonalen Organogenese als auch an der postnatalen Homöostase beteiligt. Fgf10- exprimierende Zellen bestimmen das zielgerichtete Wachstum der epithelialen Lungenknospen und definieren somit die morphogenetische Entwicklung der Lunge in der Embryonalperiode. Eine Unterbrechung des FGF10 Signalweges führt nicht nur zur fehlerhaften Entwicklung der Verästelung des Bronchialbaumes, sondern auch zur Malformation verschiedener anderer mesenchymalen Zelllinien. In der vorliegenden Arbeit wurde eine knock-in Mauslinie generiert, mit deren Hilfe Fgf10-exprimierende Zellen sowohl während der prä- als auch während der postnatalen Entwicklung zu einem beliebigen Zeitpunkt nachverfolgt werden können.Die Experimente zur Validierung ergaben folgende Resultate: Die Fgf10iCre knock-in Mauslinie zeigt die Fgf10 Expression während der Embryonalentwicklung in zahlreichen Organen und Geweben zuverlässig an Die Insertion der Cre-ERT2 Kassette in das Exon 1 von Fgf10 führte zur Deletion derjenigen Intronsequenzen, welche für die Aufrechterhaltung der Fgf10 Expression von Bedeutung sind. Dennoch ist es möglich, mittels Zugabe von Tamoxifen über einen längeren Zeitraum hinweg eine erhebliche Anzahl von Fgf10-exprimierenden Zellen in der postnatalen Lunge zu markieren.Die Untersuchungen zum Lineage Tracing zeigten auf: Fgf10-exprimierende Zellen sind in vivo potente mesenchymale Progenitorzellen Aus Fgf10-exprimierenden Zellen der frühen Phase der Lungenentwicklung entstehen im Laufe der späten Lungenentwicklung parabronchiale und vaskuläre glatte Muskelzellen sowie Lipofibroblasten Postnatal und während der Spätphase der Lungenentwicklung fungieren Fgf10-exprimierende Zellen als Progenitorzellen für Lipofibroblasten. Ihre Transdifferenzierung zu Alveolar-Myofibroblasten wurde nicht beobachtet In der adulten Phase stellen Fgf10-exprimierende Zellen eine Unterpopulation residenter mesenchymaler Stammzellen (MSC) dar, welche sich bei Schädigung durch Bleomycin zu aktivierten Myofibroblasten entwickeln Rekombinantes FGF10 ist in der Lage, in mesenchymalen Zellen einen Phänotypus der Lipofibroblasten zu induzieren Die erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass Fgf10-exprimierende Zellen einen potentiellen therapeutischen Ansatz für die Behandlung der Fibrose beim Menschen darstellen können.Daher wird ein Modell vorgeschlagen, bei dem Fgf10-exprimierende Zellen in der adulten Lunge eine Zellpopulation von residenten mesenchymalen Stammzellen repräsentieren. Unter homöostatischen Bedingungen entwickeln sich aus dieser Zellpopulation Lipofibroblasten. Eine Schädigung von Typ II Alveolarzellen führt zur Verminderung des PTHrP/PPARgamma- und einerZunahme der TGF-beta und Wnt Signalwege, wodurch sie zu aktivierten Myofibroblasten transdifferenzieren.