A fundamental question in biomineralization is the nature of the first-formed mineral phase. In vertebrate bone formation, this issue has been the subject of a long-standing controversy. We address this key issue using the continuously growing fin bony rays of the Tuebingen long-fin zebrafish as a model for bone mineralization. Employing high-resolution scanning and transmission electron microscopy imaging, electron diffraction, and elemental analysis, we demonstrate the presence of an abundant amorphous calcium phosphate phase in the newly formed fin bones. The extracted amorphous mineral particles crystallize with time, and mineral crystallinity increases during bone maturation. Based on these findings, we propose that this amorphous calcium phosphate phase may be a precursor phase that later transforms into the mature crystalline mineral.

The assembly of the musculoskeletal system requires the formation of an attachment unit between a bone and a tendon. Tendons are often inserted into bone eminences, superstructures that improve the mechanical resilience of the attachment of muscles to the skeleton and facilitate movement. Despite their functional importance, little is known about the development of bone eminences and attachment units. Here, we show that bone eminence cells are descendants of a unique set of progenitors and that superstructures are added onto the developing long bone in a modular fashion. First, we show that bone eminences emerge only after the primary cartilage rudiments have formed. Cell lineage analyses revealed that eminence cells are not descendants of chondrocytes. Moreover, eminence progenitors were specified separately and after chondroprogenitors of the primary cartilage. Fields of Sox9-positive, Scx-positive, Col2a1-negative cells identified at presumable eminence sites confirm the identity and specificity of these progenitors. The loss of eminences in limbs in which Sox9 expression was blocked in Scx-positive cells supports the hypothesis that a distinct pool of Sox9- and Scx-positive progenitors forms these superstructures. We demonstrate that TGFβ signaling is necessary for the specification of bone eminence progenitors, whereas the SCX/BMP4 pathway is required for the differentiation of these progenitors to eminence-forming cells. Our findings suggest a modular model for bone development, involving a distinct pool of Sox9- and Scx-positive progenitor cells that form bone eminences under regulation of TGFβ and BMP4 signaling. This model offers a new perspective on bone morphogenesis and on attachment unit development during musculoskeletal assembly.

The Hedgehog (HH) pathway is critical for development and adult tissue homeostasis. Aberrant HH signaling can lead to congenital malformations and diseases including cancer. Although cholesterol and several oxysterol lipids have been shown to play crucial roles in HH activation, the molecular mechanisms governing their regulation remain unresolved. Here, we identify Canopy4 (CNPY4), a Saposin-like protein, as a regulator of the HH pathway that modulates levels of membrane sterol lipids. Cnpy4-/- embryos exhibit multiple defects consistent with HH signaling perturbations, most notably changes in digit number. Knockdown of Cnpy4 hyperactivates the HH pathway in vitro and elevates membrane levels of accessible sterol lipids, such as cholesterol, an endogenous ligand involved in HH activation. Our data demonstrate that CNPY4 is a negative regulator that fine-tunes HH signal transduction, revealing a previously undescribed facet of HH pathway regulation that operates through control of membrane composition.

SUMMARY Amelogenesis, the formation of dental enamel, is driven by specialized epithelial cells called ameloblasts, which undergo successive stages of differentiation. Ameloblasts secrete enamel matrix proteins (EMPs), proteases, calcium, and phosphate ions in a stage-specific manner to form mature tooth enamel. Developmental defects in tooth enamel are common in humans, and they can greatly impact the well-being of affected individuals. Our understanding of amelogenesis and developmental pathologies is rooted in past studies using epithelial Cre driver and knockout alleles. However, the available mouse models are limited, as most do not allow targeting different ameloblast sub-populations, and constitutive loss of EMPs often results in severe phenotype in the mineral, making it difficult to interpret defect mechanisms. Herein, we report on the design and verification of a toolkit of twelve mouse alleles that include ameloblast-stage specific Cre recombinases, fluorescent reporter alleles, and conditional flox alleles for the major EMPs. We show how these models may be used for applications such as sorting of live stage specific ameloblasts, whole mount imaging, and experiments with incisor explants. The full list of new alleles is available at https://dev.facebase.org/enamelatlas/mouse-models/ .

Introductory paragraph The Hedgehog (HH) pathway is critical for development and adult tissue homeostasis 1 . Aberrant HH signaling can cause congenital malformations, such as digit anomalies and holoprosencephaly 2 , and other diseases, including cancer 3 . Signal transduction is initiated by HH ligand binding to the Patched 1 (PTCH1) receptor on primary cilia, thereby releasing inhibition of Smoothened (SMO), a HH pathway activator 4 . Although cholesterol and several oxysterol lipids, which are enriched in the ciliary membrane, play a crucial role in HH activation 4,5 , the molecular mechanisms governing the regulation of these lipid molecules remain unresolved. Here, we identify Canopy 4 (CNPY4), a Saposin-like protein, as a regulator of the HH pathway that controls membrane sterol lipid levels. Cnpy4 −/− embryos exhibit multiple defects consistent with HH signaling perturbations, most notably changes in digit number. Knockdown of Cnpy4 hyperactivates the HH pathway at the level of SMO in vitro , and elevates membrane levels of accessible sterol lipids such as cholesterol, an endogenous ligand involved in SMO activation 6 . Thus, our data demonstrate that CNPY4 is a negative regulator that fine-tunes the initial steps of HH signal transduction, revealing a previously undescribed facet of HH pathway regulation that operates through control of membrane composition.