MBD2 and MBD3 are closely related proteins with consensus methyl-CpG binding domains. MBD2 is a transcriptional repressor that specifically binds to methylated DNA and is a component of the MeCP1 protein complex. In contrast, MBD3 fails to bind methylated DNA in murine cells, and is a component of the Mi-2/NuRD corepressor complex. We show by gene targeting that the two proteins are not functionally redundant in mice, as Mbd3 (−/−) mice die during early embryogenesis, whereas Mbd2 (−/−) mice are viable and fertile. Maternal behavior of Mbd2 (−/−) mice is however defective and, at the molecular level, Mbd2 (−/−) mice lack a component of MeCP1. Mbd2 -mutant cells fail to fully silence transcription from exogenous methylated templates, but inappropriate activation of endogenous imprinted genes or retroviral sequences was not detected. Despite their differences, Mbd3 and Mbd2 interact genetically suggesting a functional relationship. Genetic and biochemical data together favor the view that MBD3 is a key component of the Mi-2/NuRD corepressor complex, whereas MBD2 may be one of several factors that can recruit this complex to DNA.

The lymphoid tyrosine phosphatase (LYP), encoded by the protein tyrosine phosphatase-22 (PTPN22) gene, is a powerful inhibitor of T cell activation. Recently, a single nucleotide polymorphism (SNP), encoding a functional arginine to tryptophan residue change at LYP codon 620 has been shown to be associated with type 1 diabetes and other autoimmune disorders. We have used a PCR-restriction fragment (XcmI) assay to examine genotypes at the codon 620 polymorphism in 549 unrelated probands with Graves' disease, 104 unrelated subjects with autoimmune Addison's disease and 429 controls. The T nucleotide at the SNP, encoding the tryptophan 620 residue, was present in 151 of 1098 (13.8%) Graves' disease alleles compared to 67 of 858 (7.8%) control alleles (χ2 = 17.2, p = 3.4 × 10−5' odds ratio = 1.88, 5–95% confidence intervals [CI] 1.39 to 2.55). Similarly, the T nucleotide at the codon 620 SNP was present in 26 of 208 (12.5%) Addison's disease alleles vs 7.8% of controls (χ2 = 4.63, p = 0.031; odds ratio = 1.69, 5–95% CI 1.04 to 2.73). These data suggest that this LYP polymorphism is a susceptibility allele for Graves' disease with a major effect, and which is likely to have a role in many other autoimmune conditions.

Heparan sulfate proteoglycans have been implicated in the presentation of a number of secreted signaling molecules to their signal-transducing receptors. We have characterized a gene trap mutation in the gene encoding a heparan sulfate biosynthetic enzyme, heparan sulfate 2-sulfotransferase (HS2ST). Transgenic mice were generated from embryonic stem cells harboring this insertion. lacZ reporter gene activity in heterozygous embryos demonstrates that the gene is expressed differentially during embryogenesis, presumably directing dynamic changes in heparan sulfate structure. Moreover, mice homozygous for the Hs2st gene trap allele die in the neonatal period, exhibiting bilateral renal agenesis and defects of the eye and the skeleton. Analysis of kidney development in Hs2st mutants reveals that the gene is not required for two early events—ureteric bud outgrowth from the Wolffian duct and initial induction of Pax-2 expression in the metanephric mesenchyme. It is required, however, for mesenchymal condensation around the ureteric bud and initiation of branching morphogenesis. Because 2- O -sulfation has been shown to influence the functional interactions of ligands with heparan sulfate in vitro, we discuss the possibility that the Hs2st mutant phenotype is a consequence of compromised interactions between growth factors and their signal-transducing receptors. These data provide the first genetic evidence that the regulated synthesis of differentially glycosylated proteoglycans can affect morphogenesis during vertebrate development.

Clonal lineage information is fundamental in revealing cell fate choices. Using genetic single-cell labeling in utero, we investigated lineage segregations during anteroposterior axis formation in mouse. We show that while endoderm and surface ectoderm segregate during gastrulation, neural ectoderm and mesoderm share a common progenitor persisting through all stages of axis elongation. These data challenge the paradigm that the three germ layers, formed by gastrulation, constitute the primary branchpoints in differentiation of the pluripotent epiblast toward tissue-specific precursors. Bipotent neuromesodermal progenitors show self-renewing characteristics and may represent the cellular substrate coupling sustained axial elongation and coordinated differentiation of these tissues. These findings have important implications for the interpretation of the phenotypic defects of several mouse mutants and the directed differentiation of embryonic stem (ES) cells in vitro.

Cells of the spinal cord and somites arise from shared, dual-fated precursors, located towards the posterior of the elongating embryo. Here we show that these neuromesodermal progenitors (NMPs) can readily be generated in vitro from mouse and human pluripotent stem cells by activating Wnt and Fgf signalling, timed to emulate in vivo development. Similar to NMPs in vivo, these cells co-express the neural factor Sox2 and the mesodermal factor Brachyury and differentiate into neural and paraxial mesoderm in vitro and in vivo. The neural cells produced by NMPs have spinal cord but not anterior neural identity and can differentiate into spinal cord motor neurons. This is consistent with the shared origin of spinal cord and somites and the distinct ontogeny of the anterior and posterior nervous system. Systematic analysis of the transcriptome during differentiation identifies the molecular correlates of each of the cell identities and the routes by which they are obtained. Moreover, we take advantage of the system to provide evidence that Brachyury represses neural differentiation and that signals from mesoderm are not necessary to induce the posterior identity of spinal cord cells. This indicates that the mesoderm inducing and posteriorising functions of Wnt signalling represent two molecularly separate activities. Together the data illustrate how reverse engineering normal developmental mechanisms allows the differentiation of specific cell types in vitro and the analysis of previous difficult to access aspects of embryo development.

ABSTRACT The spinal cord, nerves, and skeletal muscles arise from neuromesodermal progenitors (NMPs). We have developed a growth-factor screening strategy, utilizing ES and iPS cells, facilitating the indefinite self-renewal of two types of human axial stem cells (AxSCs), closely resembling mouse NMPs (NM-AxSCs) and posterior neural tube progenitors (N-AxSCs). Under specific regimens— Wnt/CHIR99021, FGF2, and TGF-β inhibitor SB431542 (CFS) and excluding FGF2 (CS), respectively—these AxSCs self-renew and sustain telomeres. Single cell transcriptomics and proteomics have revealed expression of posterior growth-zone and dorsoventral neural tube markers in NM-AxSCs, and correspondingly, differentiation to a wide spectrum of neural tube neurons and myocytes. N-AxSCs rapidly matured into dorsal sensory subsets and neural crest. Crucially, neither AxSC type produces teratomas, and analogous mouse NM-AxSCs integrated successfully into the neural tube and somites. Capturing of AxSCs from patient and GMP ES / iPS cells without transgenesis unveils ontogeny and promises modeling and therapy in neuropathies.

ABSTRACT CDK5 and Abl enzyme substrate 2 (Cables2), a member of the Cables family that has a C-terminal cyclin box-like domain, is widely expressed in adult mouse tissues. However, the physiological role of Cables2 in vivo is unknown. We show here that Cables2 -deficiency causes post-gastrulation embryonic lethality in mice. The mutant embryos progress to gastrulation, but then arrest, and fail to grow. Analysis of gene expression patterns reveals that formation of the anterior visceral endoderm and the primitive streak is impaired in Cables2 -deficient embryos. Tetraploid complementation analyses support the critical requirement of Cables2 in both the epiblast and visceral endoderm for progression of embryogenesis. In addition, we show that Cables2 physically interacts with a key mediator of the canonical Nodal pathway, Smad2, and augments its transcriptional activity. These findings provide novel insights into the essential role of Cables2 in the early embryonic development in mice.

Patterning of cell fates is central to embryonic development, tissue homeostasis, and disease. Quantitative analysis of patterning reveals the logic by which cell-cell interactions orchestrate changes in cell fate. However, it is challenging to quantify patterning when graded changes in identity occur over complex 4D trajectories, or where different cell states are intermingled. Furthermore, comparing patterns across multiple individual embryos, tissues, or organoids is difficult because these often vary in shape and size. Here we present a toolkit of computational approaches to tackle these problems. These strategies are based on measuring properties of each cell in relation to the properties of its neighbours to quantify patterning, and on using embryonic landmarks in order to compare these patterns between embryos. We use this toolkit to characterise patterning of cell identities within the caudal lateral epiblast of E8.5 embryos, revealing local patterning in emergence of early mesoderm cells that is sensitive to inhibition of Notch activity.