Abstract Complex morphological traits are the product of many genes with transient or lasting developmental effects that interact in anatomical context. Mouse models are a key resource for disentangling such effects, because they offer myriad tools for manipulating the genome in a controlled environment. Unfortunately, phenotypic data are often obtained using laboratory-specific protocols, resulting in self-contained datasets that are difficult to relate to one another for larger scale analyses. To enable meta-analyses of morphological variation, particularly in the craniofacial complex and brain, we created MusMorph, a database of standardized mouse morphology data spanning numerous genotypes and developmental stages, including E10.5, E11.5, E14.5, E15.5, E18.5, and adulthood. To standardize data collection, we implemented an atlas-based phenotyping pipeline that combines techniques from image registration, deep learning, and morphometrics. Alongside stage-specific atlases, we provide aligned micro-computed tomography images, dense anatomical landmarks, and segmentations (if available) for each specimen ( N =10,056). Our workflow is open-source to encourage transparency and reproducible data collection. The MusMorph data and scripts are available on FaceBase ( www.facebase.org , doi.org/10.25550/3-HXMC) and GitHub ( https://github.com/jaydevine/MusMorph ).

Abstract Fracture healing complications increase with age, with higher rates of delayed unions and nonunions and an associated increase in morbidity and mortality in older adults. Macrophages have a dynamic role in fracture healing, and we have previously demonstrated that age‐related changes in macrophages are associated with attenuated fracture repair in old mice. Here, we provide a single cell characterization of the immune cells involved in the early phase of fracture healing. We show that there were multiple transcriptionally distinct macrophage subpopulations present simultaneously within the healing tissue. Fracture healing was attenuated in old mice compared to young, and macrophages from the fracture callus of old mice demonstrated a pro‐inflammatory phenotype compared to young. Interestingly, Trem2 expression was decreased in old macrophages compared to young. Young mice lacking Trem2 demonstrated attenuated fracture healing and inflammatory dysregulation similar to old mice. Trem2 dysregulation has previously been implicated in other age‐related diseases, but its role in fracture healing is unknown. This work provides a robust characterization of the macrophage subpopulations involved in fracture healing, and further reveals the important role of Trem2 in fracture healing and may be a potential driver of age‐related inflammatory dysregulation. Future work may further examine macrophages and Trem2 as potential therapeutic targets for management of fracture repair in older adults.

ABSTRACT Background Asymmetries in craniofacial anomalies are commonly observed. With respect to the facial skeleton, the left side is more commonly and/or severely affected than the right. Such asymmetries complicate treatment options. Mechanisms underlying variation in disease severity between individuals as well as within individuals (asymmetries) are still relatively unknown. Results Developmental reductions in Fibroblast growth factor 8 (Fgf8) have a dosage dependent effect on jaw size, shape, and symmetry. Further, Fgf8 mutants have directionally asymmetric jaws with the left side being more affected than the right. Defects in lower jaw development begin with an early disruption to Meckel’s cartilage, which is discontinuous and appears as two separate condensations in Fgf8 mutants. All skeletal elements associated with the proximal condensation are dysmorphic in the mutants, which is exemplified by a malformed and mis-oriented malleus. At later stages, Fgf8 mutants exhibit syngnathia, which falls into 2 broad categories: bony fusion of the maxillary and mandibular alveolar ridges and zygomatico-mandibular fusion. All of these morphological defects exhibit both inter- and intra-individual variation. Conclusions We hypothesize that these asymmetries are linked to asymmetries in heart development resulting in higher levels of Fgf8 on the right side of the face during development, which may buffer the right side to mild developmental perturbations. This mutant mouse is a good model for future investigations of mechanisms underlying human syngnathia and facial asymmetry.

Abstract Background and Objective A variety of genetic mutations are known to affect cell proliferation and apoptosis during organism development, leading to structural birth defects such as facial clefting. Yet, the mechanisms how these alterations influence the development of the face remain unclear. Cell proliferation and its relation to shape variation can be studied in high detail using Light-Sheet Microscopy (LSM) imaging across a range of developmental time points. However, the large number of LSM images captured at cellular resolution precludes manual analysis. Thus, the aim of this work was to develop and evaluate automatic methods to segment tissues and proliferating cells in these images in an accurate and efficient way. Methods We developed, trained, and evaluated convolutional neural networks (CNNs) for segmenting tissues, cells, and specifically proliferating cells in LSM datasets. We compared the automatically extracted tissue and cell annotations to corresponding manual segmentations for three specific applications: (i) tissue segmentation (neural ectoderm and mesenchyme) in nuclear-stained LSM images, (ii) cell segmentation in nuclear-stained LSM images, and (iii) segmentation of proliferating cells in Phospho-Histone H3 (PHH3)-stained LSM images. Results The automatic CNN-based tissue segmentation method achieved a macro-average F-score of 0.84 compared to a macro-average F-score of 0.89 comparing corresponding manual segmentations from two observers. The automatic cell segmentation method in nuclear-stained LSM images achieved an F-score of 0.57, while comparing the manual segmentations resulted in an F-score of 0.39. Finally, the automatic segmentation method of proliferating cells in the PHH3-stained LSM datasets achieved an F-score of 0.56 for the automated method, while comparing the manual segmentations resulted in an F-score of 0.45. Conclusions The proposed automatic CNN-based framework for tissue and cell segmentation leads to results comparable to the inter-observer agreement, accelerating the LSM image analysis. The trained CNN models can also be applied for shape or morphological analysis of embryos, and more generally in other areas of cell biology.

Chondrocytes within the fracture callus transform into osteoblasts during bone regeneration, but the molecular mechanisms regulating this process are unknown. Wnt ligands are expressed within the fracture callus, and hypertrophic chondrocytes undergoing transformation to osteoblasts exhibit nuclear localization of β-catenin, indicating active Wnt signaling in these cells. Here, we show that conditional knock out (cKO) of β-catenin in chondrocytes inhibits the transformation of chondrocytes to osteoblasts, while stabilization of β-catenin in chondrocytes accelerates this process. After cKO, chondrocyte-derived cells were located in the bone marrow cavity and upon re-fracture formed cartilage. Lineage tracing in wild type mice revealed that in addition to osteoblasts, chondrocytes give rise to stem cells that contribute to repair of subsequent fractures. These data indicate that Wnt signaling directs cell fate choices of chondrocytes during fracture healing by stimulating transformation of chondrocytes to osteoblasts, and provide a framework for developing Wnt-therapies to stimulate repair.

Abstract Realistic mappings of genes to morphology are inherently multivariate on both sides of the equation. The importance of coordinated gene effects on morphological phenotypes is clear from the intertwining of gene actions in signaling pathways, gene regulatory networks, and developmental processes underlying the development of shape and size. Yet, current approaches tend to focus on identifying and localizing the effects of individual genes and rarely leverage the information content of high dimensional phenotypes. Here, we explicitly model the joint effects of biologically coherent collections of genes on a multivariate trait—craniofacial shape — in a sample of n = 1,145 mice from the Diversity Outbred (DO) experimental line. We use biological process gene ontology (GO) annotations to select skeletal and facial development gene sets and solve for the axis of shape variation that maximally covaries with gene set marker variation. We use our process-centered, multivariate genotype-phenotype (MGP) approach to determine the overall contributions to craniofacial variation of genes involved in relevant processes and how variation in different processes corresponds to multivariate axes of shape variation. Further, we compare the directions of effect in phenotype space of mutations to the primary axis of shape variation associated with broader pathways within which they are thought to function. Finally, we leverage the relationship between mutational and pathway-level effects to predict phenotypic effects beyond craniofacial shape in specific mutants. We also introduce an online application which provides users the means to customize their own process-centered craniofacial shape analyses in the DO. The process-centered approach is generally applicable to any continuously varying phenotype and thus has wide-reaching implications for complex-trait genetics.

CD47 is a ubiquitous and pleiotropic cell-surface receptor. Disrupting CD47 enhances injury repair in various tissues but the role of CD47 has not been studied in bone injuries. In a murine closed-fracture model, CD47-null mice showed decreased callus bone volume, bone mineral content, and tissue mineral content as assessed by microcomputed tomography 10 days post-fracture, and increased fibrous volume as determined by histology. To understand the cellular basis for this phenotype, mesenchymal progenitors (MSC) were harvested from bone marrow. CD47-null MSC showed decreased large fibroblast colony formation (CFU-F), significantly less proliferation, and fewer cells in S-phase, although osteoblast differentiation was unaffected. However, consistent with prior research, CD47-null endothelial cells showed increased proliferation relative to WT cells. Similarly, in a murine ischemic fracture model, CD47-null mice showed reduced fracture callus bone volume and bone mineral content relative to WT. Consistent with our in vitro results, in vivo EdU labeling showed decreased cell proliferation in the callus of CD47-null mice, while staining for CD31 and endomucin demonstrated increased endothelial cell mass. Finally, WT mice administered a CD47 morpholino, which blocks CD47 protein production, showed a callus phenotype similar to that of non-ischemic and ischemic fractures in CD47-null mice, suggesting the phenotype was not due to developmental changes in the knockout mice. Thus, inhibition of CD47 during bone healing reduces both non-ischemic and ischemic fracture healing, in part, by decreasing MSC proliferation. Furthermore, the increase in endothelial cell proliferation and early blood vessel density caused by CD47 disruption is not sufficient to overcome MSC dysfunction.

A significant portion of bone fractures fail to heal properly, increasing healthcare costs. Advances in fracture management have slowed because translational barriers have limited generation of mechanism-based explanations for the healing process. When uncertainties are numerous, analogical modeling can be an effective strategy for developing plausible explanations of complex phenomena. We demonstrate the feasibility of engineering analogical models in software to provide plausible biomimetic explanations for how fracture healing may progress. Concrete analogical models (Callus Analogs) were created using the MASON simulation toolkit. We designated a Target Region initial state within a characteristic tissue section of mouse tibia fracture at day-7 and posited a corresponding day-10 Target Region final state. The goal was to discover a coarse-grain analog mechanism that would enable the discretized initial state to transform itself into the corresponding Target Region final state, thereby providing a new way to study the healing process. One of nine quasi-autonomous Tissue Unit types is assigned to each grid space, which maps to an 80x80 µm region of the tissue section. All Tissue Units have an opportunity each time step to act based on individualized logic, probabilities, and information about adjacent neighbors. Action causes a transition from one Tissue Unit type to another, and simulation through several thousand time steps generates a coarse-grain analog (a theory) of the healing process. We prespecified a minimum measure of success: simulated and actual Target Region states achieve ≥ 70% Similarity. We used an iterative protocol to explore many combinations of Tissue Unit logic and action constraints. Workflows progressed through four stages of analog mechanisms. Similarities of 73-90% were achieved for Mechanisms 2-4. The range of Upper-Level similarities increased to 83-94% when we allowed for uncertainty about two Tissue Unit designations. We have demonstrated how Callus Analog experiments provide domain experts with a new medium and tools for thinking about and understanding the fracture healing process.

The elderly population suffers from higher rates of complications during fracture healing that result in increased morbidity and mortality. Inflammatory dysregulation is associated with increased age and is a contributing factor to the myriad of age-related diseases. Therefore, we investigated age-related changes to an important cellular regulator of inflammation, the macrophage, and the impact on fracture healing outcomes. We demonstrated that old mice (24 months) have delayed fracture healing with significantly less bone and more cartilage compared to young mice (3 months). The quantity of infiltrating macrophages into the fracture callus was similar in old and young mice. However, RNA-seq analysis demonstrated distinct differences in the transcriptomes of macrophages derived from the fracture callus of old and young mice, with an upregulation of M1/pro-inflammatory genes in macrophages from old mice as well as dysregulation of other immune-related genes. Preventing infiltration of the fracture site by macrophages in old mice improved healing outcomes, with significantly more bone in the calluses of treated mice compared to age-matched controls. After preventing infiltration by macrophages, the macrophages within the fracture callus were collected and examined via RNA-seq analysis, and their transcriptome resembled macrophages from young calluses. Taken together, infiltrating macrophages from old mice demonstrate detrimental age-related changes, and depleting infiltrating macrophages can improve fracture healing in old mice.

Morphogenesis requires highly coordinated, complex interactions between cellular processes: proliferation, migration, and apoptosis, along with physical tissue interactions. How these cellular and tissue dynamics drive morphogenesis remains elusive. Three dimensional (3D) microscopic imaging poses great promise, and generates elegant images. However, generating even moderate through-put quantified images is challenging for many reasons. As a result, the association between morphogenesis and cellular processes in 3D developing tissues has not been fully explored. To address this critical gap, we have developed an imaging and image analysis pipeline to enable 3D quantification of cellular dynamics along with 3D morphology for the same individual embryo. Specifically, we focus on how 3D distribution of proliferation relates to morphogenesis during mouse facial development. Our method involves imaging with light-sheet microscopy, automated segmentation of cells and tissues using machine learning-based tools, and quantification of external morphology via geometric morphometrics. Applying this framework, we show that changes in proliferation are tightly correlated to changes in morphology over the course of facial morphogenesis. These analyses illustrate the potential of this pipeline to investigate mechanistic relationships between cellular dynamics and morphogenesis during embryonic development.