Abstract During metastasis intravascularly circulating cancer cells undergo extravasation, which frequently takes place in vascular capillary beds 1–3 . It remains poorly understood how the extravasation in the capillary beds is regulated. To address this question, chicken primordial germ cells (PGCs) serve as a powerful model since they circulate in blood stream and extravasate at a specific site of capillary bed near the forming gonad 4–6 . The extravasation consists of two steps, the intravascular arrest of cells and their subsequent transmigration through the endothelial lining. We here demonstrate with live imaging at a single cell level in vivo that the arrest of PGCs is predominantly governed by occlusion at a narrow path in the capillary bed. In addition, this occlusion is enabled by a hightened stiffness of the PGCs, revealed by atomic force microscopy indentation analyses. The PGCs’ stiffness is regulated by actin polymerization: inhibition of the actin function causes not only a failure of PGC occlusion in the capillary bed, but also a failure of PGC colonization in the gonads at later stages. Following the occlusion, PGCs reset their stiffness to soften in order to squeeze through the endothelial lining as they transmigrate. The discovery of F-actin-mediated stiffness in pre-extravasating cells provides a model for understanding of dynamic mechanism by which other cells, including metastasizing cancer cells, extravasate in capillary beds.

During amniote development, anterior and posterior components of the neural tube form by primary neurulation (PN) and secondary neurulation (SN), respectively. Unlike PN, SN proceeds by the mesenchymal-to-epithelial transition of SN precursors in the tail bud, a critical structure for the axial elongation. Our direct cell labeling delineates non-overlapping territories of SN- and mesodermal precursors in the chicken tail bud. SN-fated precursors are further divided into self-renewing and differentiating cells, a decision regulated by graded expression levels of Sox2. Whereas Sox2 is confined to SN precursors, Brachyury (T) is widely and uniformly distributed in the tail bud, indicating that Sox2+/Brachyury+ cells are neural-fated and not mesodermal. These results uncover multiple steps during the neural posterior elongation, including precocious segregation of SN precursors, their self-renewal, and regulation by graded Sox 2.

Although the basic schema of the body plan is similar among different species of amniotes (mammals, birds, and reptiles), the lung is an exception. Here, anatomy and physiology are considerably different, particularly between mammals and birds. In mammals, inhaled and exhaled airs mix in the airways, whereas in birds the inspired air flows unidirectionally without mixing with the expired air. This bird-specific respiration system is enabled by the complex tubular structures called parabronchi where gas exchange takes place, and also by the bellow-like air sacs appended to the main part of the lung. That the lung is predominantly governed by the parasympathetic nervous system has been shown mostly by physiological studies in mammals. However, how the parasympathetic nervous system in the lung is established during late development has largely been unexplored both in mammals and birds. In this study, by combining immunocytochemistry, the tissue-clearing CUBIC method, and ink-injection to airways, we have visualized the 3-D distribution patterns of parasympathetic nerves and ganglia in the lung at late developmental stages of mice and chickens. These patterns were further compared between these species, and three prominent similarities emerged: (1) parasympathetic postganglionic fibers and ganglia are widely distributed in the lung covering the proximal and distal portions, (2) the gas exchange units, alveoli in mice and parabronchi in chickens, are devoid of parasympathetic nerves, (3) parasympathetic nerves are in close association with smooth muscle cells, particularly at the base of the gas exchange units. These observations suggest that despite gross differences in anatomy, the basic mechanisms underlying parasympathetic control of smooth muscles and gas exchange might be conserved between mammals and birds.

Abstract The gut undergoes peristaltic movements regulated by intricate cellular interactions. However, they have poorly been explored due to a lack of model system. We here developed a novel contractile organoid that is derived from the muscle layer of chicken embryonic hindgut. The organoid contained smooth muscle cells (SMCs) and interstitial cells of Cajal (ICCs; pacemaker) with few enteric neurons, and underwent periodic contractions. The organoid formed by self-organization with morphological arrangements of ICCs (internal) and SMCs (peripheral), allowing identification of these cells in live. GCaMP-Ca 2+ imaging analyses revealed that Ca 2+ transients between ICC- ICC, SMC-SMC or SMC-ICC were markedly coordinated. Pharmacological studies further showed that gap junctions play a role in ICC-to-SMC signaling, and also possible feedback from SMC’s contraction to ICC’s pace-making activities. In addition, two organoids with different rhythm became synchronized when mediated by SMCs, unveiling a novel contribution of SMCs to ICC’s pace-making. The gut contractile organoid developed in this study offers a useful model to understand the mechanisms underlying the rhythm coordination between/among ICCs and SMCs during gut peristaltic movements.

Abstract Gut peristaltic movements recognized as the wave-like propagation of a local contraction are crucial for effective transportation and digestion/absorption of ingested materials. Although the physiology of gut peristalsis has been well studied in adults, it remains largely unexplored how the cellular functions underlying these coordinated tissue movements are established along the rostral-caudal gut axis during development. The chicken embryonic gut serves as an excellent experimental model for elucidating the endogenous potential and regulation of these cells since peristalsis occurs even though no ingested material is present in the moving gut. By combining video-recordings and kymography, we provide a spatial map of peristaltic movements along the entire gut posterior to the duodenum: midgut (jejunum and ileum), hindgut, caecum, and cloaca. Since the majority of waves propagate bidirectionally at least until embryonic day 12 (E12), the sites of origin of peristaltic waves (OPWs) can unambiguously be detected in the kymograph. The spatial distribution map of OPWs has revealed that OPWs become progressively confined to specific regions/zones along the gut axis during development by E12, and that such specific zones are largely conserved between different individuals implying genetic regulation for OPW determination. We have also found that the enteric nervous system (ENS) is essential for the OPW patterning since an ablation of ENS or blocking neural activity by tetrodotoxin disrupts the confined pattern of OPWs, resulting in a failure of transportation of inter-luminally injected ink. Finally, we have discovered a functional coupling of the endpoint of hindgut with the cloaca. When surgically separated, the cloaca ceases its acute contractions that would normally occur concomitantly with the peristaltic rhythm of the hindgut. Our findings shed light on the intrinsic regulations of gut peristalsis, including unprecedented ENS contribution and inter-region cross talk along the gut axis. Contribution to the field statement It has been well accepted that the gut peristalsis is important in adults, where a luminal content (ingested material) mechanically influences peristalsis. However, the endogenously regulated cellular mechanisms that initiate and sustain peristalsis have poorly been explored, and this might be a reason why few therapeutic treatments have been available for gut diseases associated with peristaltic dysfunction. Recent studies have shown that peristaltic movements occur in the embryonic gut, suggestive of genetic involvement. However, how the peristaltic movement is coordinately patterned along the gut axis remains unknown, because most studies have used isolated fragments of the gut. In our study, we examined the entire gut posterior to the duodenum of chicken embryos to produce a spatial map of peristaltic movements during gut development. Using the map of origins of peristaltic waves (OPWs), we found previously unappreciated roles of enteric nervous system for the OPW patterning and for the physiological functions of embryonic gut tissues. Furthermore, we propose that peristaltic movements might mediate inter-region crosstalk along the gut axis. Our findings provide novel insights into the mechanisms by which the gut peristalsis is established during development at the cellular basis.