ABSTRACT Urogenital system development in mammals requires the coordinated differentiation of two distinct tissues, the ductal epithelium and the nephrogenic mesenchyme, both derived from the intermediate mesoderm of the early embryo. The former give rise to the genital tracts, ureters and kidney collecting duct system, whereas mesenchymal components undergo epithelial transformation to form nephrons in both the mesonephric (embryonic) and metanephric (definitive) kidney. Pax-2 is a transcriptional regulator of the paired-box family and is widely expressed during the development of both ductal and mesenchymal components of the urogenital system. We report here that Pax-2 homozygous mutant newborn mice lack kidneys, ureters and genital tracts. We attribute these defects to dysgenesis of both ductal and mesenchymal components of the developing urogenital system. The Wolffian and Müllerian ducts, precursors of male and female genital tracts, respectively, develop only partially and degenerate during embryogenesis. The ureters, inducers of the metanephros are absent and therefore kidney development does not take place. Mesenchyme of the nephrogenic cord fails to undergo epithelial transformation and is not able to form tubules in the mesonephros. In addition, we show that the expression of specific markers for each of these components is de-regulated in Pax-2 mutants. These data show that Pax-2 is required for multiple steps during the differentiation of intermediate mesoderm. In addition, Pax-2 mouse mutants provide an animal model for human hereditary kidney diseases.

ABSTRACT During gestation, the paired box-containing gene Pax2 is expressed in the mid-hindbrain area, developing eye and inner ear. We generated Pax2 null mutant mice, which show the requirement of Pax2 for the establishment of axonal pathways along the optic stalks and ventral diencephalon. In mutant brains, the optic tracts remain totally ipsilateral due to agenesis of the optic chiasma. Furthermore, Pax2 mutants show extension of the pigmented retina into the optic stalks and failure of the optic fissure to close resulting in coloboma. In the inner ear, Pax2 mutants show agenesis of the cochlea and the spiral ganglion, i.e., the parts of the organ responsible for auditory function and in whose primordium Pax2 is expressed. Our results identify Pax2 as a major regulator of patterning during organogenesis of the eye and inner ear and indicate its function in morphogenetic events required for closure of the optic fissure and neural tube.

Cardiomyocytes are subjected to the intense mechanical stress and metabolic demands of the beating heart. It is unclear whether these cells, which are long-lived and rarely renew, manage to preserve homeostasis on their own. While analyzing macrophages lodged within the healthy myocardium, we discovered that they actively took up material, including mitochondria, derived from cardiomyocytes. Cardiomyocytes ejected dysfunctional mitochondria and other cargo in dedicated membranous particles reminiscent of neural exophers, through a process driven by the cardiomyocyte’s autophagy machinery that was enhanced during cardiac stress. Depletion of cardiac macrophages or deficiency in the phagocytic receptor Mertk resulted in defective elimination of mitochondria from the myocardial tissue, activation of the inflammasome, impaired autophagy, accumulation of anomalous mitochondria in cardiomyocytes, metabolic alterations, and ventricular dysfunction. Thus, we identify an immune-parenchymal pair in the murine heart that enables transfer of unfit material to preserve metabolic stability and organ function.Video Abstracthttps://www.cell.com/cms/asset/46565560-674e-41de-80b4-3f0988fd287f/mmc7.mp4Loading ...(mp4, 11.65 MB) Download video

The zebrafish heart has the capacity to regenerate after ventricular resection. Although this regeneration model has proved useful for the elucidation of certain regeneration mechanisms, it is based on the removal of heart tissue rather than its damage. Here, we characterize the cellular response and regenerative capacity of the zebrafish heart after cryoinjury, an alternative procedure that more closely models the pathophysiological process undergone by the human heart after myocardial infarction (MI). Localized damage was induced in 25% of the ventricle by cryocauterization (CC). During the first 24 hours post-injury, CC leads to cardiomyocyte death within the injured area and the near coronary vasculature. Cell death is followed by a rapid proliferative response in endocardium, epicardium and myocardium. During the first 3 weeks post-injury cell debris was cleared and the injured area replaced by a massive scar. The fibrotic tissue was subsequently degraded and replaced by cardiac tissue. Although animals survived CC, their hearts showed nonhomogeneous ventricular contraction and had a thickened ventricular wall, suggesting that regeneration is associated with processes resembling mammalian ventricular remodeling after acute MI. Our results provide the first evidence that, like mammalian hearts, teleost hearts undergo massive fibrosis after cardiac damage. Unlike mammals, however, the fish heart can progressively eliminate the scar and regenerate the lost myocardium, indicating that scar formation is compatible with myocardial regeneration and the existence of endogenous mechanisms of scar regression. This finding suggests that CC-induced damage in zebrafish could provide a valuable model for the study of the mechanisms of scar removal post-MI.

ABSTRACT Cell Competition is a process by which neighboring cells compare their fitness. As a result, viable but suboptimal cells are selectively eliminated in the presence of fitter cells. In the early mammalian embryo, epiblast pluripotent cells undergo extensive Cell Competition, which prevents suboptimal cells from contributing to the newly forming organism. While competitive ability is regulated by MYC in the epiblast, the mechanisms that contribute to competitive fitness in this context are largely unknown. Here, we report that P53 and its pro-apoptotic targets PUMA and NOXA regulate apoptosis susceptibility and competitive fitness in pluripotent cells. PUMA is widely expressed specifically in pluripotent cells in vitro and in vivo . We show that the p53-PUMA/NOXA pathway regulates mitochondrial membrane potential and oxidative status. We found that P53 regulates MYC levels in pluripotent cells, which connects these two Cell competition pathways, however, MYC and PUMA/NOXA levels are independently regulated by P53. We propose a model that integrates a bifurcated P53 pathway regulating both MYC and PUMA/NOXA levels and determines competitive fitness through regulation of mitochondrial activity.

Abstract The mammalian telencephalon contains a tremendous diversity of GABAergic projection neuron and interneuron types, that originate in a germinal zone of the embryonic basal ganglia. How genetic information in this transient structure is transformed into different cell types is not yet fully understood. Using a combination of in vivo CRISPR perturbation, lineage tracing, and ChIP-seq in mice, we found that the transcription factor MEIS2 favors the development of projection neurons through genomic binding sites in regulatory enhancers of projection neuron specific genes. MEIS2 requires the presence of the homeodomain transcription factor DLX5 to direct its functional activity towards these sites. In interneuron precursors, the activation of projection neuron specific enhancers by MEIS2 and DLX5 is repressed by the transcription factor LHX6. When MEIS2 carries a mutation associated with intellectual disability in humans, it is less effective at activating enhancers involved in projection neuron development. This suggests that GABAergic differentiation may be impaired in patients carrying this mutation. Our research supports a model (“Differential Binding‘) where the spatial specific composition of transcription factors at cis -regulatory elements determines differential gene expression and cell fate decisions in the ganglionic eminence.

Abstract Summary Spatial transcriptomics has changed our way to study tissue structure and cellular organization. However, there are still limitations in its resolution, and most available plaXorms do not reach a single cell resolution. To address this issue, we introduce SpatialDDLS, a fast neural network-based algorithm for cell type deconvolution of spatial transcriptomics data. SpatialDDLS leverages single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data to simulate mixed transcriptional profiles with predefined cellular composition, which are subsequently used to train a fully-connected neural network to uncover cell type diversity within each spot. By comparing it with two state-of-the-art spatial deconvolution methods, we demonstrate that SpatialDDLS is an accurate and faster alternative to the available state-of-the art tools. Availability and implementation The R package SpatialDDLS is available via CRAN-The Comprehensive R Archive Network: https://CRAN.R-project.org/package=SpatialDDLS . A detailed manual of the main functionalities implemented in the package can be found at https://diegommcc.github.io/SpatialDDLS . Contact fscabo@cnic.es Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online.

The mammalian heart is a complex organ formed during development via highly diverse populations of progenitor cells. The origin, timing of recruitment, and fate of these progenitors are vital for the proper development of this organ. The molecular mechanisms that govern the morphogenesis of the heart are essential for understanding the pathogenesis of congenital heart diseases and embryonic cardiac regeneration. Classical approaches to investigate these mechanisms employed the generation of transgenic mice to assess the function of specific genes during cardiac development. However, mouse transgenesis is a complex, time-consuming process that often cannot be performed to assess the role of specific genes during heart development. To address this, we have developed a protocol for efficient electroporation and culture of mouse embryonic hearts, enabling transient transgenesis to rapidly assess the effect of gain- or loss-of-function of genes involved in cardiac development. Using this methodology, we successfully overexpressed Meis1 in the embryonic heart, with a preference for epicardial cell transfection, demonstrating the capabilities of the technique.

Vertebrate axial skeletal patterning is controlled by coordinated collinear expression of Hox genes and axial level-dependent activity of Hox protein combinations. Transcription factors of the Meis family act as cofactors of Hox proteins and profusely bind to Hox complex DNA, however their roles in mammalian axial patterning have not been established. Similarly, retinoic acid (RA) is known to regulate axial skeletal element identity through the transcriptional activity of its receptors, however whether this role is related to Meis/Hox regulation or functions in axial patterning remains unknown. Here we study the role of Meis factors in axial skeleton formation and its relationship to the RA pathway by characterizing Meis1, Meis2 and Raldh2 mutant mice. We report that Meis and Raldh2 regulate each other in a positive feedback regulatory loop that controls axial skeletal identity. Meis elimination produces homeotic transformations similar to those found in Raldh2 and anterior-Hox mutants and disrupts the expression of Hox target genes without changing the transcriptional profiles of Hox complexes. We propose that Meis regulates vertebrate axial skeleton patterning by exclusively affecting Hox protein function, and that alterations in RA levels can produce homeotic transformations without altering Hox transcription through regulating Meis expression.