SHH/GLI SIGNALING IN ANTERIOR PITUITARY AND VENTRAL TELENCEPHALON DEVELOPMENT by YIWEI WANG Submitted in partial fulfillment of the requirements For the degree of Doctor of Philosophy Department of Genetics CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY January, 2011 CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY SCHOOL OF GRADUATE STUDIES We hereby approve the thesis/dissertation of _____________________________________________________ candidate for the ______________________degree *. (signed)_______________________________________________ (chair of the committee) ________________________________________________ ________________________________________________ ________________________________________________ ________________________________________________ ________________________________________________ (date) _______________________ *We also certify that written approval has been obtained for any proprietary material contained therein. TABLE OF CONTENTS Table of Contents ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• i List of Figures ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• v List of Abbreviations •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• vii Acknowledgements •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ix Abstract ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• x Chapter 1 Background and Significance ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 1.1 Introduction to the pituitary gland ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 2 1.1.1 The pituitary gland and its function ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 3 1.1.2 The embryonic development of pituitary •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 6 1.2 Shh/Gli signaling in pituitary development •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 13 1.2.1 The Sonic hedgehog signal transduction pathway •••••••••••••••••••••••• 13 1.2.2 The Gli transcription factors •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 14 1.2.3 The role of Shh signaling in holoprosencephaly •••••••••••••••••••••••••••• 17 1.2.4 The role of Shh/Gli signaling in pituitary development ••••••••••••••••••••• 19 1.3 Other signals required in pituitary development •••••••••••••••••••••••••••••••••• 22 1.3.1 Bmps •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22 1.3.2 Fgfs •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 25 1.3.3 Wnts ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27 1.3.4 Signaling interactions in pituitary development ••••••••••••••••••••••••••••• 28 1.4 Shh/Gli signaling in ventral telencephalon development ••••••••••••••••••••••• 29 1.4.1 Introduction to the ventral telencephalon •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 29 1.4.2 The embryonic development of the ventral telencephalon ••••••••••••••• 30 1.4.3 Shh signaling in telencephalon development ••••••••••••••••••••••••••••••• 33 i Chapter 2 Shh/Gli signaling is active in the pituitary primordium and pituitary cell progenitors •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 35 2.1 Abstract •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 36 2.2 Materials and methods •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 37 2.2.1 Mouse breeding and genotyping •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 37 2.2.2 Fate mapping •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 37 2.2.3 X-gal staining and Immunohistochemistry ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 38 2.3 Results ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 40 2.3.1 Shh signaling is active in the pituitary primordium ••••••••••••••••••••••••• 40 2.3.2 Gli expression gradient in developing Rathke’s pouch •••••••••••••••••••• 45 2.3.3 Hh-responding cells contribute to ventral cell types in the anterior pituitary •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47 2.4 Discussion ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 49 2.5 Acknowlegements •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 51 Chapter 3 Direct and indirect requirements for Shh/Gli signaling in early pituitary development •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 52 3.1 Abstract •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 53 3.2 Introduction •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 54 3.3 Materials and methods •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 57 3.4 Results ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 60 3.4.1 Loss of Gli2 leads to a selective loss of specific pituitary cell types •••• 60 3.4.2 Progenitor proliferation in the nascent pituitary requires cell autonomous expression of Gli2 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 63 3.4.3 Removal of Gli2 function before the closure of RP causes proliferation defects in some pituitary progenitors ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 68 ii 3.4.4 Overlapping roles of Gli genes in pituitary development •••••••••••••••••• 72 3.4.5 Activation of Hh signaling in RP increases pituitary proliferation without affecting patterning •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 75 3.4.6 Patterning of pituitary requires diencephalic function of Gli2 ••••••••••••• 76 3.5 Discussion ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 78 3.6 Acknowledgements •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 82 Chapter 4 Patterning of the ventral telencephalon requires positive function of Gli transcription factors •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 83 4.1 Abstract •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 84 4.2 Introduction •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 84 4.3 Materials and methods •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 87 4.4 Results ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 90 4.4.1 A subset of ventral telencephalic progenitors receives Hh signaling and expresses Gli1-lacZ •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 90 4.4.2 Hh-responding progenitors produce progressively superficial cortical interneurons ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 91 4.4.3 Gli activators are required for the specification of two progenitor groups in the telencephalic sulcus •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 95 4.4.4 Removal of all Gli genes disrupts production and proliferation of ventral telencephalic neurons ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 98 4.4.5 Intermingling of different neuronal groups in Gli2/3 mutants ••••••••••• 104 4.5 Discussion ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 108 4.6 Acknowledgements •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 115 Chapter 5 Conclusions and Future Directions ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 116 5.1 Summary ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 117 iii 5.2 Early Shh signaling in ANR may specify the pituitary primordium •••••••••• 118 5.3 Two different phases of Shh/Gli signaling in pituitary proliferation •••••••••• 119 5.4 Gli2 may be required for diencephalon-derived signals BMP4 and Fgf8 •• 124 5.5 Mouse Gli2 mutant phenotypes correlate with human HPE •••••••••••••••••• 125 5.6 Future directions •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 127 5.6.1 Shh/Gli signaling is required for early specification of the pituitary primordium ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 127 5.6.2 Shh/Gli singaling is required in the ventral diencephalon for pituitary cell proliferation ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 131 5.6.3 Shh/Gli singaling is required for cell type specification of the anterior pituitary ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 131 5.6.4 Interactions between Shh and other signaling pathways •••••••••••••••• 132 5.6.4 a Shh interacts with Bmp2 to regulate pituitary differentiation ••••• 133 5.6.4 b Gli2 regulate Bmp2 transcription by direct binding sites ••••••••• 135 5.6.5 Further study of Shh signaling in the pituitary gland •••••••••••••••••••••• 137 Appendix •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 140 References ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 151 iv LIST OF FIGURES Chapter 1 Figure 1-1 Location and structure of the pituitary gland in the human brain •••••• 4 Figure 1-2 Embryonic development of the pituitary gland in the mouse ••••••••••• 7 Figure 1-3 Transcription factors in pituitary development ••••••••••••••••••••••••••• 10 Figure 1-4 The Shh/Gli signaling pathway ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 15 Figure 1-5 Multiple signaling pathways required for pituitary development •••••• 24 Figure 1-6 Telencephalon development •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 31 Chapter 2 Figure 2-1 Fate mapping strategy •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••