Abstract Vertebrate animals that run or jump across sparsely vegetated habitats, such as horses and jerboas, have reduced the number of distal limb bones, and many have lost most or all distal limb muscle. We previously showed that nascent muscles are present in the jerboa hindfoot at birth and that these myofibers are rapidly and completely lost soon after by a process that shares features with pathological skeletal muscle atrophy. Here, we apply an intra- and inter-species approach, comparing jerboa and mouse muscles, to identify gene expression differences associated with the initiation and progression of jerboa hindfoot muscle loss. We show evidence for reduced Hepatocyte Growth Factor (HGF) and Fibroblast Growth Factor (FGF) signaling and an imbalance in nitric oxide signaling; all are pathways that are necessary for skeletal muscle development and regeneration. We also find evidence for phagosome formation, which hints at how myofibers may be removed by autophagy or by non-professional phagocytes without evidence for cell death or immune cell activation. Last, we show significant overlap between genes associated with jerboa hindfoot muscle loss and genes that are differentially expressed in a variety of human muscle pathologies and rodent models of muscle loss disorders. All together, these data provide molecular insight into the mechanism of evolutionary and developmental muscle loss in jerboa hindfeet.

Many species that run or leap across sparsely vegetated habitats, including horses and deer, evolved the severe reduction or complete loss of foot muscles as skeletal elements elongated and digits were lost, and yet the developmental mechanisms remain unknown. Here, we report the natural loss of foot muscles in the bipedal jerboa, Jaculus jaculus . Although adults have no muscles in their feet, newborn animals have muscles that rapidly disappear soon after birth. We were surprised to find no evidence of apoptotic or necrotic cell death during stages of peak myofiber loss, countering well-supported assumptions of developmental tissue remodeling. We instead see hallmarks of muscle atrophy, including an ordered disassembly of the sarcomere associated with upregulation of the E3 ubiquitin ligases, MuRF1 and Atrogin-1 . We propose that the natural loss of muscle, which remodeled foot anatomy during evolution and development, involves cellular mechanisms that are typically associated with disease or injury.

Abstract Vertebrate animals that run or jump across sparsely vegetated habitats, such as horses and jerboas, have reduced the number of distal limb bones, and many have lost most or all distal limb muscle. We previously showed that nascent muscles are present in the jerboa hindfoot at birth and that these myofibers are rapidly and completely lost soon after by a process that shares features with pathological skeletal muscle atrophy. Here, we apply an intra‐ and interspecies differential RNA‐Seq approach, comparing jerboa and mouse muscles, to identify gene expression differences associated with the initiation and progression of jerboa hindfoot muscle loss. We show evidence for reduced hepatocyte growth factor and fibroblast growth factor signaling and an imbalance in nitric oxide signaling; all are pathways that are necessary for skeletal muscle development and regeneration. We also find evidence for phagosome formation, which hints at how myofibers may be removed by autophagy or by nonprofessional phagocytes without evidence for cell death or immune cell activation. Last, we show significant overlap between genes associated with jerboa hindfoot muscle loss and genes that are differentially expressed in a variety of human muscle pathologies and rodent models of muscle loss disorders. All together, these data provide molecular insight into the process of evolutionary and developmental muscle loss in jerboa hindfeet.

Despite the great diversity of vertebrate limb proportion and our deep understanding of the genetic mechanisms that drive skeletal elongation, little is known about how individual bones reach different lengths in any species. Here, we directly compare the transcriptomes of homologous growth cartilages of the mouse ( Mus musculus ) and bipedal jerboa ( Jaculus jaculus ), which has extremely long metatarsals of the feet and ‘mouse-like’ arms. When we intersected gene expression differences in metatarsals of the two species with expression differences in forearms, we found that about 10% of all orthologous genes are associated with disproportionate elongation of jerboa feet. Among these, Shox2 , has gained expression in jerboa metatarsals where it is not expressed in other vertebrates that have been assessed. This transcription factor is necessary for proximal limb elongation, and we show that it is sufficient to increase mouse distal limb length. Unexpectedly, we also found evidence that jerboa foot elongation occurs in part by releasing latent growth potential that is repressed in mouse feet. In jerboa metatarsals, we observed higher expression of Crabp1 , an antagonist of growth inhibitory retinoic acid, lower expression of Gdf10 , an inhibitory TGFβ ligand, and lower expression of Mab21L2 , a BMP signaling inhibitor that we show is sufficient to reduce limb bone elongation. By intersecting our data with prior expression analyses in other systems, we identify mechanisms that may both establish limb proportion during development and diversify proportion during evolution. The genes we identified here therefore provide a framework to understand the modular genetic control of skeletal growth and the remarkable malleability of vertebrate limb proportion.