Abstract Epithelial to mesenchymal transition (EMT) is a cellular process that converts epithelial cells to mesenchymal cells with migratory potential in both developmental and pathological processes. Although originally considered a binary event, EMT in cancer progression involves intermediate states between a fully epithelial and a fully mesenchymal phenotype, which are characterized by distinct combinations of epithelial and mesenchymal markers. This phenomenon has been termed epithelial to mesenchymal plasticity (EMP), however, the intermediate states remain poorly described and it’s unclear whether they exist during developmental EMT. Neural crest cells (NCC) are an embryonic progenitor cell population that gives rise to numerous cell types and tissues in vertebrates, and their formation is a classic example of developmental EMT. An important feature of NCC development is their delamination from the neuroepithelium via EMT, following which NCC migrate throughout the embryo and undergo differentiation. NCC delamination shares similar changes in cellular state and structure with cancer cell invasion. However, whether intermediate states also exist during NCC EMT and delamination remains unknown. Through single cell RNA sequencing, we identified intermediate NCC states based on their transcriptional signature and then spatially defined their locations in situ in the dorsolateral neuroepithelium. Our results illustrate the progressive transcriptional and spatial transitions from premigratory to migratory cranial NCC during EMT and delamination. Of note gene expression and trajectory analysis indicate that distinct intermediate populations of NCC delaminate in either S phase or G2/M phase of the cell cycle, and the importance of cell cycle regulation in facilitating mammalian cranial NCC delamination was confirmed through cell cycle inhibition studies. Additionally, transcriptional knockdown revealed a functional role for the intermediate stage marker Dlc1 in regulating NCC delamination and migration. Overall, our work identifying and characterizing the intermediate cellular states, processes, and molecular signals that regulate mammalian NCC EMT and delamination furthers our understanding of developmental EMP and may provide new insights into mechanisms regulating pathological EMP.

Abstract Neural crest cells (NCC) comprise a heterogeneous population of cells with variable potency, that contribute to nearly every tissue and organ system throughout the body. Considered unique to vertebrates, NCC are transiently generated within the dorsolateral region of the neural plate or neural tube, during neurulation. Their delamination and migration are crucial events in embryo development as the differentiation of NCC is heavily influenced by their final resting locations. Previous work in avian and aquatic species has shown that NCC delaminate via an epithelial-mesenchymal transition (EMT), which transforms these stem and progenitor cells from static polarized epithelial cells into migratory mesenchymal cells with fluid front and back polarity. However, the cellular and molecular drivers facilitating NCC delamination in mammals are poorly understood. We performed live timelapse imaging of NCC delamination in mouse embryos and discovered a group of cells that exit the neuroepithelium as isolated round cells, which then halt for a short period prior to acquiring the mesenchymal migratory morphology classically associated with most delaminating NCC. High magnification imaging and protein localization analyses of the cytoskeleton, together with measurements of pressure and tension of delaminating NCC and neighboring neuroepithelial cells, revealed these round NCC are extruded from the neuroepithelium prior to completion of EMT. Furthermore, we demonstrate that cranial NCC are extruded through activation of the mechanosensitive ion channel, PIEZO1, a key regulator of the live cell extrusion pathway, revealing a new role for PIEZO1 in neural crest cell development. Our results elucidating the cellular and molecular dynamics orchestrating NCC delamination support a model in which high pressure and tension in the neuroepithelium results in activation of the live cell extrusion pathway and delamination of a subpopulation of NCC in parallel with EMT. This model has broad implications for our understanding of cell delamination in development and disease.

Abstract Ribosomal RNA (rRNA) transcription by RNA Polymerase I (Pol I) is a critical rate-limiting step in ribosome biogenesis, which is essential for cell survival. Despite its global function, disruptions in ribosome biogenesis cause tissue-specific birth defects called ribosomopathies, which frequently affect craniofacial development. Here, we describe a cellular and molecular mechanism underlying the susceptibility of craniofacial development to disruptions in Pol I transcription. We show that Pol I subunits are highly expressed in the neuroepithelium and neural crest cells (NCC), which generate most of the craniofacial skeleton. High expression of Pol I subunits sustains elevated rRNA transcription in NCC progenitors, which supports their high tissue-specific levels of protein translation, but also makes NCC particularly sensitive to rRNA synthesis defects. Consistent with this model, NCC-specific deletion of Pol I subunits Polr1a , Polr1c, and associated factor Tcof1 in mice cell-autonomously diminishes rRNA synthesis, which causes an imbalance between rRNA and ribosomal proteins. This leads to increased binding of ribosomal proteins Rpl5 and Rpl11 to Mdm2 and concomitantly diminished binding between Mdm2 and p53. Consequently, p53 protein accumulates, resulting in NCC apoptosis and craniofacial anomalies. Furthermore, compound mutations in Pol I subunits and associated factors specifically exacerbates the craniofacial anomalies characteristic of the ribosomopathies Treacher Collins Syndrome and Acrofacial Dysostosis-Cincinnati Type. Altogether, our novel results demonstrate a dynamic spatiotemporal requirement for rRNA transcription during mammalian cranial NCC development and corresponding tissue-specific threshold sensitivities to disruptions in rRNA transcription in the pathogenesis of congenital craniofacial disorders. Significance statement RNA Polymerase I (Pol I) mediated rRNA transcription is required for protein synthesis in all tissues for normal growth and survival as well as for proper embryonic development. Interestingly, disruptions in Pol I mediated transcription perturb ribosome biogenesis and lead to tissue-specific birth defects, which commonly affect the head and face. Our novel results show that during mouse development, Pol I mediated rRNA transcription and protein translation is tissue-specifically elevated in neural crest cells, which give rise to bone, cartilage, and ganglia of the head and face. Using new mouse models, we further show that neural crest cells are highly sensitive to disruptions in Pol I and that when rRNA synthesis is genetically downregulated, it specifically results in craniofacial anomalies.

Epithelial to mesenchymal transition (EMT) is a cellular process that converts epithelial cells to mesenchymal cells with migratory potential in developmental and pathological processes. Although originally considered a binary event, EMT in cancer progression involves intermediate states between a fully epithelial and a fully mesenchymal phenotype, which are characterized by distinct combinations of epithelial and mesenchymal markers. This phenomenon has been termed epithelial to mesenchymal plasticity (EMP), however, the intermediate states remain poorly described and it’s unclear whether they exist during developmental EMT. Neural crest cells (NCC) are an embryonic progenitor cell population that gives rise to numerous cell types and tissues in vertebrates, and their formation and delamination is a classic example of developmental EMT. However, whether intermediate states also exist during NCC EMT and delamination remains unknown. Through single-cell RNA sequencing of mouse embryos, we identified intermediate NCC states based on their transcriptional signature and then spatially defined their locations in situ in the dorsolateral neuroepithelium. Our results illustrate the importance of cell cycle regulation and functional role for the intermediate stage marker Dlc1 in facilitating mammalian cranial NCC delamination and may provide new insights into mechanisms regulating pathological EMP.

In mammals, the developing reproductive tract primordium of male and female fetuses consists of the Wolffian duct and the Mullerian duct (MD), two epithelial tube pairs surrounded by mesenchyme. During male development, mesenchyme-epithelia interactions mediate MD regression to prevent its development into a uterus, oviduct and upper vagina. It is well established that transforming growth factor-beta family member anti-Mullerian hormone (AMH) secreted from the fetal testis and its type 1 and 2 receptors expressed in MD mesenchyme regulate MD regression. However, little is known about the molecular network regulating downstream actions of AMH signaling. To identify potential AMH-induced genes and regulatory networks controlling MD regression in a global non-biased manner, we examined transcriptome differences in MD mesenchyme between males (AMH signaling on) and females (AMH signaling off) by RNA-Seq analysis of purified fetal MD mesenchymal cells. This analysis found 82 genes up-regulated in males during MD regression and identified Osterix (Osx)/Sp7, a key transcriptional regulator of osteoblast differentiation and bone formation, as a novel downstream effector of AMH signaling during MD regression. Osx/OSX was expressed in a male-specific pattern in MD mesenchyme during MD regression. OSX expression was lost in mutant males without AMH signaling. In addition, transgenic mice ectopically expressing human AMH in females induced a male pattern of Osx expression. Together these results indicate that AMH signaling is necessary and sufficient for Osx expression in the MD mesenchyme. In addition, MD regression was delayed in Osx null males, identifying Osx as a new factor that regulates MD regression.

Abstract The vertebrate main-body axis is laid down during embryonic stages in an anterior-to-posterior (head-to-tail) direction, driven and supplied by posteriorly located progenitors. For the vertebral column, the process of axial progenitor cell expansion that drives elongation, and the process of segmentation which allocates progenitor-descendants into repeating pre-vertebral units, occurs seemingly uninterrupted from the first to the last vertebra. Nonetheless, there is clear developmental and evolutionary support for two discrete modules controlling processes within different axial regions: a trunk and a tail module. Here, we identify Nuclear receptor subfamily 6 group A member 1 (Nr6a1) as a master regulator of elongation, segmentation, patterning and lineage allocation specifically within the trunk region of the mouse. Both gain- and loss-of-function in vivo analyses revealed that the precise level of Nr6a1 acts as a rheostat, expanding or contracting vertebral number of the trunk region autonomously from other axial regions. Moreover, Nr6a1 was found to be required for segmentation, but only for trunk-forming somites, with the timely clearance of Nr6a1 critical in supporting tail formation. In parallel with these morphological outcomes, we reveal Nr6a1 as a novel regulator of global Hox signatures within axial progenitors, preventing the precocious expression of multiple posterior Hox genes as the trunk is being laid down and thus reinforcing that patterning and elongation are coordinated. Finally, our data supports a crucial role for Nr6a1 in regulating gene regulatory networks that guide cell lineage choice of axial progenitors between neural and mesodermal fate. Collectively, these data reveal an axially-restricted role for Nr6a1 in all major cellular and tissue-level events required for vertebral column formation, supporting the view that modulation of Nr6a1 expression level or function is likely to underpin evolutionary changes in axial formulae that exclusively alter the trunk region.

Summary Beginning with transcription of ribosomal RNA (rRNA) by RNA Polymerase (Pol) I in the nucleolus, ribosome biogenesis is intimately tied to cell growth and proliferation. Perturbation of ribosome biogenesis has been previously shown to affect nucleolar structure, yet the underlying mechanism is unknown. We generated loss-of-function mouse mutants of Pol I subunits, Polr1a, Polr1b, Polr1c and Polr1d , thereby genetically inhibiting rRNA transcription and ribosome biogenesis. Pol I mutant embryos are preimplantation lethal and have fewer nucleoli. Using hiPSCs triple labeled for the three nucleolar compartments, we observe two phenotypes upon Pol I inhibition: a single condensed nucleolus, and fragmented nucleoli. We find that when rRNA transcription is inhibited, the viscosity of the granular compartment of the nucleolus is increased disrupting its liquid-liquid phase separation properties, which results in a condensed nucleolus. Taken together, our data suggests that Pol I function and rRNA transcription are required for maintaining nucleolar structure and integrity.