Interdigital cell death leads to regression of soft tissue between embryonic digits in many vertebrates. Although the signals that regulate interdigital apoptosis are not known, BMPs—signaling molecules of the transforming growth factor-β superfamily—are expressed interdigitally. A dominant negative type I BMP receptor (dnBMPR-IB) was used here to block BMP signaling. Expression of dnBMPR in chicken embryonic hind limbs greatly reduced interdigital apoptosis and resulted in webbed feet. In addition, scales were transformed into feathers. The similarity of the webbing to webbed duck feet led to studies that indicate that BMP s are not expressed in the duck interdigit. These results indicate BMP signaling actively mediates cell death in the embryonic limb.

The bone morphogenetic proteins (BMPs), TGFβ superfamily members, play diverse roles in embryogenesis, but how the BMPs exert their action is unclear and how different BMP receptors (BMPRs) contribute to this process is not known. Here we demonstrate that the two type I BMPRs, BMPR-IA and BMPR-IB, regulate distinct processes during chick limb development. BmpR-IB expression in the embryonic limb prefigures the future cartilage primordium, and its activity is necessary for the initial steps of chondrogenesis. During later chondrogenesis, BmpR-IA is specifically expressed in prehypertrophic chondrocytes. BMPR-IA regulates chondrocyte differentiation, serving as a downstream mediator of Indian Hedgehog (IHH) function in both a local signaling loop and a longer-range relay system to PTHrP. BMPR-IB also regulates apoptosis: Expression of activated BMPR-IB results in increased cell death, and we showed previously that dominant-negative BMPR-IB inhibits apoptosis. Our studies indicate that in TGFβ signaling systems, different type I receptor isoforms are dedicated to specific functions during embryogenesis.

ABSTRACT Glioblastoma (GBM), a highly lethal brain cancer, is notorious for its immunosuppressive microenvironment, yet current immunotherapies are ineffective. Thus, understanding the immune contexture and governing factors of immunosuppression is crucial. Here, we identified a highly dynamic temporospatial patterning of tumor-associated macrophages (TAMs) corresponding to vascular changes in GBM: as tumor vessels transition from an initial dense regular network to later scant engorged vasculature, CD68 + TAMs shift away from perivascular regions to poorly vascularized areas. Remarkably, this process is heavily influenced by the immunocompetency of host animal, as tumor vessels in immunodeficient hosts remained dense and regular while TAMs evenly distributed. Utilizing a sensitive fluorescent reporter to track tumor hypoxia, we revealed that hypoxic niche controls immunosuppression by at least two mechanisms: first, attracting and sequestering activated TAMs in hypoxic zones, and second, reprograming entrapped TAMs towards an immunotolerant state. Indeed, entrapped TAMs also experience hypoxia and upregulate phagocytic marker Cd68 and immunotolerant genes Mrc1 and Arg1 , thereby facilitating debris clearing, inflammatory containment, and immunosuppression in hypoxic zones. Mechanistically, we identified Ccl8 and IL-1β as two hypoxic niche factors released by TAMs in response to cues from hypoxic GBM cells, functioning to reinforce TAM retainment. Reciprocally, niche factors also shape the transcriptional responses of hypoxic tumor cells that exhibit quiescence and mesenchymal shift. Moreover, hypoxic niche factors are highly enriched in human GBMs, particularly mesenchymal subtype, and predict poor survival. Importantly, perturbing hypoxic niches resulted in reduced TAM sequestration and better tumor control. Together, understanding the mutual influence of immune contexture and metabolic landscape has important ramifications for improving efficacy of immunotherapies against GBM.

Communication between glial cells has a profound impact on the pathophysiology of Alzheimer's disease (AD). We reveal here that reactive astrocytes control cell distancing in peri-plaque glial nets, which restricts microglial access to amyloid deposits. This process is governed by guidance receptor Plexin-B1 (PLXNB1), a network hub gene in individuals with late-onset AD that is upregulated in plaque-associated astrocytes. Plexin-B1 deletion in a mouse AD model led to reduced number of reactive astrocytes and microglia in peri-plaque glial nets, but higher coverage of plaques by glial processes, along with transcriptional changes signifying reduced neuroinflammation. Additionally, a reduced footprint of glial nets was associated with overall lower plaque burden, a shift toward dense-core-type plaques and reduced neuritic dystrophy. Altogether, our study demonstrates that Plexin-B1 regulates peri-plaque glial net activation in AD. Relaxing glial spacing by targeting guidance receptors may present an alternative strategy to increase plaque compaction and reduce neuroinflammation in AD. The axon guidance receptor Plexin-B1 regulates the cellular interaction of peri-plaque astrocytes with microglia to affect the pathophysiology of Alzheimer's disease.

Glioblastoma (GBM) is a malignant brain tumor with diffuse infiltration. Here, we demonstrate how GBM cells usurp guidance receptor Plexin-B2 for confined migration through restricted space. Using live-cell imaging to track GBM cells negotiating microchannels, we reveal endocytic vesicle accumulation at cell front and filamentous actin assembly at cell rear in a polarized manner. These processes are interconnected and require Plexin-B2 signaling. We further show that Plexin-B2 governs membrane tension and other membrane features such as endocytosis, phospholipid composition, and inner leaflet surface charge, thus providing biophysical mechanisms by which Plexin-B2 promotes GBM invasion. Together, our studies unveil how GBM cells regulate membrane tension and mechano-electrical coupling to adapt to physical constraints and achieve polarized confined migration. The biomechanical mechanisms enabling the invasive growth of brain tumors remain opaque. Here, Junqueira Alves et al. reveal that the guidance receptor Plexin-B2 controls membrane tension, facilitating confined migration of brain tumor cells.

Injured neurons sense environmental cues to balance neural protection and axon regeneration, but the mechanisms are unclear. Here, we unveil aryl hydrocarbon receptor (AhR), a ligand-activated bHLH-PAS transcription factor, as molecular sensor and key regulator of acute stress response at the expense of axon regeneration. We demonstrate responsiveness of DRG sensory neurons to ligand-mediated AhR signaling, which functions to inhibit axon regeneration. Ahr deletion mimics the conditioning lesion in priming DRG to initiate axonogenesis gene programs; upon peripheral axotomy, Ahr ablation suppresses inflammation and stress signaling while augmenting pro-growth pathways. Moreover, comparative transcriptomics revealed signaling interactions between AhR and HIF-1α, two structurally related bHLH-PAS α units that share the dimerization partner Arnt/HIF-1β. Functional assays showed that the growth advantage of AhR-deficient DRG neurons requires HIF-1α; but in the absence of Arnt, DRG neurons can still mount a regenerative response. We further unveil a link between bHLH-PAS transcription factors and DNA hydroxymethylation in response to peripheral axotomy, while neuronal single cell RNA-seq analysis revealed a link of the AhR regulon to RNA polymerase III regulation and integrated stress response (ISR). Altogether, AhR activation favors stress coping and inflammation at the expense of axon regeneration; targeting AhR can enhance nerve repair.

During multicellular organization, individual cells need to constantly respond to environmental cues and adjust contractile and adhesive forces in order to maintain tissue integrity. The signaling pathways linking biochemical cues and tissue mechanics are unclear. Here, we show that Plexin-B2 regulates mechanochemical integration during multicellular organization. In human embryonic stem cells (hESCs), Plexin-B2 controls cell shape and tissue geometry in both 2D epithelial colony and 3D spheroid aggregates by regulating actomyosin contractility and junctional/cell-matrix adhesive properties. Atomic force microscopy (AFM) directly demonstrates that Plexin-B2 modulates cell stiffness in hESC colonies, which in turn impacts cell proliferation and cell fate specification through b-catenin signaling and YAP mechanosensing. YAP also functions as a mechanoregulator downstream of Plexin-B2, thus forming a mechanochemical integrative loop. In human neuroprogenitor cells (hNPCs), Plexin-B2 similarly controls cell stiffness and tensile forces, as revealed by AFM and FRET tension sensor studies. Strikingly, Plexin- B2-deficient hNPCs display accelerated neuronal differentiation. From an organogenesis perspective, Plexin-B2 maintains cytoarchitectural integrity of neuroepithelium, as modeled in cerebral organoids. On a signaling level, Plexin-B2 engages extracellular as well as intracellular Ras-GAP and RBD domains for mechanoregulation through Rap and Rac GTPases. Our data unveil a fundamental function of Plexin-B2 for mechanochemical integration during multicellular organization, and shed light on the principle of force-mediated regulation of stem cell biology and tissue morphogenesis.

Glioblastoma multiforme (GBM) is an extremely lethal type of brain tumor as it frequently develops therapeutic resistance over months of chemotherapy cycles. Hence, there is a critical need to provide relevant biological systems to guide the development of new potent personalized drugs but also efficient methodologies that enable personalized prediction of various therapeutic regimens for enhanced patient prognosis. Towards this goal, we report on the development of i) an appropriate in vitro model that mimics the 3D tumor microenvironment and ii) a companion imaging modality that enables to assess this in vitro model in its entirety. More precisely, we developed an integrated platform of bio-printing in vitro 3D GBM models and mesoscopic imaging to monitor tumor growth and invasion along with long-term drug treatment. The newly-developed in vitro 3D model contains tumor spheroids made of patient-derived glioma stem cells with a fluorescent reporter and vascular channels for drug perfusion. The imaging of these thick tissue constructs was performed using our second-Generation Mesoscopic Fluorescence Molecular Tomography (2GMFMT) imaging system which delivered 3D reconstruction of the fluidic channels and the GBM spheroids over the course of pre- and post-drug treatment (up to 70 days). The 2D measurements collected via 2GMFMT was comparable to existing imaging modalities, but 2GMFMT enabled non-sacrificial volumetric monitoring that provided a unique insight into the GBM spheroid growth and drug response. Overall, our integrated platform provides customizable in vitro model systems combined with an efficient long-term non-sacrificial imaging for the volumetric change of tumor mass, thus has a great potential in profoundly affecting the drug pipeline for a vast array of pathologies as well as for guiding personalized therapeutic regimen.

ABSTRACT Glioblastoma (GBM) is a malignant brain tumor with uncontrolled invasive growth. Here, we demonstrate how GBM cells usurp guidance receptor Plexin-B2 to gain biomechanical plasticity for polarized migration through confined space. Using live-cell imaging to track GBM cells negotiating microchannels, we reveal active endocytosis at cell front and filamentous actin assembly at rear to propel GBM cells through constrictions. These two processes are interconnected and governed by Plexin-B2 that orchestrates cortical actin and membrane tension, shown by biomechanical assays. Molecular dynamics simulations predict that balanced membrane and actin tension are required for optimal migratory velocity and consistency. Furthermore, Plexin-B2 mechanosensitive function requires a bendable extracellular ring structure and affects membrane internalization, permeability, phospholipid composition, as well as inner membrane surface charge. Together, our studies unveil a key element of membrane tension and mechanoelectrical coupling via Plexin-B2 that enables GBM cells to adapt to physical constraints and achieve polarized confined migration.