Abstract Endothelial and skeletal muscle lineages arise from common embryonic progenitors. Despite their shared developmental origin, adult endothelial cells (ECs) and muscle stem cells (MuSCs) (satellite cells) have been thought to possess distinct gene signatures and signaling pathways. Here we shift this paradigm by uncovering how adult MuSC behavior is affected by the expression of a subset of EC transcripts. We used several computational analyses including single-cell RNAseq to show that MuSCs express low levels of canonical EC markers. We demonstrate that MuSC survival is regulated by one such prototypic endothelial signaling pathway (VEGFA-FLT1). Using pharmacological and genetic gain- and loss-of-function studies, we identify the FLT1-AKT1 axis as the key effector underlying VEGFA-mediated regulation of MuSC survival. All together, our data support that the VEGFA-FLT1-AKT1 pathway promotes MuSC survival during muscle regeneration, and highlights how the minor expression of select transcripts is sufficient for affecting cell behavior.

SUMMARY The function of many organs, including skeletal muscle, depends on its three-dimensional structure. Muscle regeneration therefore requires not only reestablishment of myofibers, but restoration of tissue architecture. Resident muscle stem cells (SCs) are essential for regeneration, but how SCs regenerate muscle architecture is largely unknown. We address this problem using genetic labeling of SCs and whole mount imaging to reconstruct in three dimensions muscle regeneration. Unexpectedly, we found that the residual basement membrane of necrotic myofibers is critical for promoting fusion and orienting regenerated myofibers and myofibers form via two distinct phases of fusion. Furthermore, the centralized myonuclei characteristic of regenerated myofibers are associated with myofibrillogenesis and permanently mark regenerated myofibers. Finally, we elucidate a new cellular mechanism for the formation of branched myofibers, a pathology characteristic of diseased muscle. We provide a new synthesis of the cellular events of regeneration and show these differ from those used during development.

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is an X-linked recessive genetic disease in which the dystrophin coding for a membrane stabilizing protein is mutated. Recently, the vasculature has also shown to be perturbed in DMD and DMD model mdx mice. Data-mining DMD transcriptomics revealed the defects were correlated to a vascular endothelial growth factor (VEGF) signaling pathway. To reveal the relationship between DMD and VEGF signaling, mdx mice were crossed with constitutive ( CAG/CreERTM : Flt1LoxP/LoxP ) and endothelial cell-specific conditional gene knockout mice ( Cdh5CreERT2:Flt1LoxP/LoxP ) for Flt1 which is a decoy receptor for VEGF. Previous work demonstrated that heterozygous global Flt1 knockout mice increased vascular density and improved DMD phenotypes when crossed with DMD model mdx and mdx:utrn-/- mice. Here, we showed that while constitutive deletion of Flt1 is detrimental to the skeletal muscle function, endothelial cell-specific Flt1 deletion resulted in increased vascular density and improvement in the DMD-associated phenotype in the mdx mice. These decreases in pathology, including improved muscle histology and function, were recapitulated in mdx mice given anti-FLT1 peptides or monoclonal antibodies, which blocked VEGF-FLT1 binding. The histological and functional improvement of dystrophic muscle by FLT1 blockade provides a novel pharmacological strategy for the potential treatment of DMD.

Endothelial and skeletal muscle lineages arise from common embryonic progenitors. Despite their shared developmental origin, adult endothelial cells (ECs) and muscle stem cells (MuSCs; satellite cells) have been thought to possess distinct gene signatures and signaling pathways. Here, we shift this paradigm by uncovering how adult MuSC behavior is affected by the expression of a subset of EC transcripts. We used several computational analyses including single-cell RNA-seq (scRNA-seq) to show that MuSCs express low levels of canonical EC markers in mice. We demonstrate that MuSC survival is regulated by one such prototypic endothelial signaling pathway (VEGFA-FLT1). Using pharmacological and genetic gain- and loss-of-function studies, we identify the FLT1-AKT1 axis as the key effector underlying VEGFA-mediated regulation of MuSC survival. All together, our data support that the VEGFA-FLT1-AKT1 pathway promotes MuSC survival during muscle regeneration, and highlights how the minor expression of select transcripts is sufficient for affecting cell behavior.