Understanding the genotype-phenotype relation between PIK3CA variant signalling and vascular malformations

Abstract

[eng] Vascular malformations (VMs) represent a diverse group of diseases with complex yet poorly understood underlying mechanisms. Causative gain-of-function mutations in PIK3CA have been associated with the onset of these disorders. The pathological diversity has made scientific research challenging, however, recent advances in genetically engineered mouse models have provided tools for spatiotemporal control of PIK3CA activation, offering an opportunity to investigate vascular processes such as angiogenesis and vascular remodelling, and the effect of Pik3ca variant expression. In this thesis, we addressed the knowledge gap in understanding the genotype- phenotype relationship of three common PIK3CA variants found in VMs: PIK3CAH1047R, PIK3CAE545K, and PIK3CAE726K. Using conditional mouse models, we studied these variants by expressing them in endothelial cells (ECs) during key stages of vascular development. We also examined mouse embryonic lethality and intracellular signalling pathways associated with these variants in cultured mouse ECs and in vivo. Our results revealed significant phenotypic and molecular differences between the PIK3CA variants. In vivo, Pik3caH1047R/WT and Pik3caE545K/WT expression caused extensive vascular hyperplasia and increased EC numbers during active angiogenesis. In vitro, Pik3caH1047R/WT expression strongly activated PI3Kα-AKT and MAPK signalling pathways, upregulated VEGFR2 and VEGFR3, and slightly downregulated EGFR. By contrast, Pik3caE545K/WT expression induced less robust PI3Kα-AKT activation, potential MAPK downregulation, and mild upregulation of VEGFR2, VEGFR3, and EGFR. Conversely, Pik3caE726K/WT expression caused only mild vascular phenotypes and modest PI3Kα-AKT activation, suggesting this mutation leads to milder VM phenotypes. These findings shed light on the distinct molecular mechanisms underlying the vascular phenotypes associated with these PIK3CA mutations. Furthermore, the observed differences between the variants in these regulators of angiogenesis reveal potential targets for therapeutic intervention. This work highlights the utility of conditional mouse models in advancing our understanding of VM disease progression, paving the way for future research into personalized medicine for patients suffering from VMs.

[cat] Les malformacions vasculars (MV) formen un grup divers de malalties amb mecanismes subjacents complexos però poc compresos. Les mutacions causants de guany de funció a PIK3CA s'han associat amb l'aparició d'aquestes malalties. La diversitat patològica ha fet que la recerca científica sigui un repte; tanmateix, els avenços recents en models de ratolí genèticament modificats han proporcionat eines per al control espaciotemporal de l'activació de PIK3CA, oferint una oportunitat per investigar processos vasculars com l'angiogènesi i la remodelació vascular, així com l'efecte de l'expressió de variants de Pik3ca. En aquesta tesi, aprofundim en la manca de coneixement de la relació genotip-fenotip de tres mutacions freqüents de PIK3CA trobades en MV: PIK3CAH1047R, PIK3CAE545K i PIK3CAE726K. Utilitzant models de ratolins condicionals, hem estudiat aquestes mutacions expressant-les en cèl·lules endotelials (CEs) durant etapes clau del desenvolupament vascular. També hem examinat la letalitat embrionària i les vies de senyalització intracel·lular associades amb aquestes mutacions en CEs cultivades i in vivo. Els nostres resultats han identificat diferències fenotípiques i moleculars significatives entre les variants de PIK3CA. In vivo, l'expressió de Pik3caH1047R/WT i Pik3caE545K/WT va causar una hiperplàsia vascular extensa i un augment del nombre de CEs durant l'angiogènesi activa. In vitro, l'expressió de Pik3caH1047R/WT va activar fortament les vies de senyalització PI3Kα-AKT i MAPK, va induir un augment de l’expressió VEGFR2 i VEGFR3, i una disminució lleugera de l’expressió EGFR. Per contra, l'expressió de Pik3caE545K/WT va induir una activació menys robusta de PI3Kα-AKT, una possible regulació a la baixa de MAPK, i una lleugera regulació a l'alça de VEGFR2, VEGFR3 i EGFR. L'expressió de Pik3caE726K/WT va causar només fenotips vasculars lleus i una activació modesta de PI3Kα-AKT, suggerint que aquesta mutació condueix a fenotips de MV més suaus. Aquests resultats il·lustren els mecanismes moleculars diferents subjacents als fenotips vasculars associats amb aquestes mutacions de PIK3CA. A més, les diferències observades en alguns reguladors de angiogènesis entre les variants revelen possibles dianes per a la intervenció terapèutica. Aquest treball destaca la utilitat dels models de ratolí condicionals per avançar en la comprensió de la progressió de les MV, obrint camí per a futures investigacions en medicina personalitzada per als pacients que pateixen MV.