Abstract Early embryos display a remarkable ability to regulate the patterning of tissues in response to changes in tissue size. However, it is not clear whether this ability continues into post-gastrulation stages upon cell commitment to distinct germ layers. Here, we performed targeted removal of neural fated cells in the zebrafish tailbud using multi-photon ablation. This led to a proportional reduction in the length of both the spinal cord and paraxial mesoderm in the tail, revealing a capacity to regulate tissue morphogenesis across multiple tissues to build a well-proportioned posterior body. Following analysis of cell proliferation, gene expression, signalling and cell movements, we found no evidence of cell fate switching from mesoderm to neural fate to compensate for neural progenitor loss. Furthermore, we found that tail paraxial mesoderm length is not reduced upon direct removal of an equivalent number of mesoderm progenitors, ruling out the hypothesis that neuromesodermal competent cells enable proportional regulation. Instead, reduction in the numbers of cells across the spinal cord reduces both spinal cord and paraxial mesoderm length. We conclude that spinal cord elongation is a driver of paraxial mesoderm elongation in the zebrafish posterior body and that this can explain proportional regulation of both tissues upon neural progenitor reduction.

Summary The transition state model of cell differentiation proposes that a transient window of gene expression stochasticity precedes entry into a differentiated state. As this has been assessed primarily in vitro , we sought to explore whether it can also be observed in vivo . Zebrafish neuromesodermal progenitors (NMps) differentiate into spinal cord and paraxial mesoderm at the late somitogenesis stages. We observed an increase in gene expression variability at the 24 somite stage (24ss) prior to their differentiation. From our analysis of a published 18ss scRNA-seq dataset, we showed that the NMp population possesses a signature consistent with a population undergoing a critical transition. By building in silico composite gene expression maps from our image data, we were able to assign an ‘NM index’ to each in silico NMp based on the cumulative expression of its neural and mesodermal markers. With the NM index distributions, we demonstrated that cell population heterogeneity of the NMps peaked at 24ss. We then incorporated stochasticity and non-autonomy into a genetic toggle switch model and uncovered the existence of rebellious cells, which we then confirmed by reexamining the composite maps. Taken together, our work supports the transition state model within an endogenous cell fate decision making event.

The cellular and genetic networks that contribute to the development of the zeugopod (radius and ulna of the forearm, tibia and fibula of the leg) are not well understood, although these bones are susceptible to loss in congenital human syndromes and to the action of teratogens such as thalidomide. Using a new fate-mapping approach with the Chameleon transgenic chicken line, we show that there is a small contribution of SHH-expressing cells to the posterior ulna, posterior carpals and digit 3. We establish that although the majority of the ulna develops in response to paracrine SHH signalling in both the chicken and mouse, there are differences in the contribution of SHH-expressing cells between mouse and chicken as well as between the chicken ulna and fibula. This is evidence that, although zeugopod bones are clearly homologous according to the fossil record, the gene regulatory networks that contribute to their development and evolution are not fixed.

Abstract The study of pattern formation has benefited from reverse-engineering gene regulatory network (GRN) structure from spatio-temporal quantitative gene expression data. Traditional approaches omit tissue morphogenesis, hence focusing on systems where the timescales of pattern formation and morphogenesis can be separated. In such systems, pattern forms as an emergent property of the underlying GRN. This is not the case in many animal patterning systems, where patterning and morphogenesis are simultaneous. To address pattern formation in these systems we need to adapt our methodologies to explicitly accommodate cell movements and tissue shape changes. In this work we present a novel framework to reverse-engineer GRNs underlying pattern formation in tissues experiencing morphogenetic changes and cell rearrangements. By combination of quantitative data from live and fixed embryos we approximate gene expression trajectories (AGETs) in single cells and use a subset to reverse-engineer candidate GRNs using a Markov Chain Monte Carlo approach. GRN fit is assessed by simulating on cell tracks (live-modelling) and comparing the output to quantitative data-sets. This framework outputs candidate GRNs that recapitulate pattern formation at the level of the tissue and the single cell. To our knowledge, this inference methodology is the first to integrate cell movements and gene expression data, making it possible to reverse-engineer GRNs patterning tissues undergoing morphogenetic changes.

Early embryos display a remarkable ability to regulate tissue patterning in response to changes in tissue size. However, it is not clear whether this ability continues into post-gastrulation stages. Here, we performed targeted removal of dorsal progenitors in the zebrafish tailbud using multiphoton ablation. This led to a proportional reduction in the length of the spinal cord and paraxial mesoderm in the tail, revealing a capacity for the regulation of tissue morphogenesis during tail formation. Following analysis of cell proliferation, gene expression, signalling and cell movements, we found no evidence of cell fate switching from mesoderm to neural fate to compensate for neural progenitor loss. Furthermore, tail paraxial mesoderm length is not reduced upon direct removal of an equivalent number of mesoderm progenitors, ruling out the hypothesis that neuromesodermal competent cells enable proportional regulation. Instead, reduction in cell number across the spinal cord reduces both spinal cord and paraxial mesoderm length. We conclude that spinal cord elongation is a driver of paraxial mesoderm elongation in the zebrafish tail and that this can explain proportional regulation upon neural progenitor reduction.

The study of pattern formation has benefited from our ability to reverse-engineer gene regulatory network (GRN) structure from spatiotemporal quantitative gene expression data. Traditional approaches have focused on systems where the timescales of pattern formation and morphogenesis can be separated. Unfortunately, this is not the case in most animal patterning systems, where pattern formation and morphogenesis are co-occurring and tightly linked. To elucidate patterning mechanisms in such systems we need to adapt our GRN inference methodologies to include cell movements. In this work, we fill this gap by integrating quantitative data from live and fixed embryos to approximate gene expression trajectories (AGETs) in single cells and use these to reverse-engineer GRNs. This framework generates candidate GRNs that recapitulate pattern at the tissue level, gene expression dynamics at the single cell level, recover known genetic interactions and recapitulate experimental perturbations while incorporating cell movements explicitly for the first time.

The cellular and genetic networks which contribute to the development of the zeugopod, (radius and ulna of the forearm, tibia and fibula of the leg) are not well understood, although these bones are susceptible to loss in congenital human syndromes and to the action of teratogens such as thalidomide. Using a new fate mapping approach in transgenic chickens, we show that there is a small contribution of SHH expressing cells to the posterior ulna, posterior carpals and digit 3. We establish that while the majority of the ulna develops in response to paracrine SHH signaling in both the chicken and mouse, there are differences in the contribution of SHH expressing cells to other tissues of the zeugopod between these two species as well as between the chicken ulna and fibula. This is evidence that although zeugopod bones are clearly homologous according to the fossil record, the zeugopod bones of the wing and leg are formed by subtly different signalling and patterning events during embryonic development, which can be used to understand the shaping of the bird wing skeleton during the evolution of powered flight.