Proteoglycans are expressed in various tissues on cell surfaces and in the extracellular matrix and display substantial heterogeneity of both protein and carbohydrate constituents. The functions of individual proteoglycans of the nervous system are not well characterized, partly because specific reagents which would permit their isolation are missing. We report here that the monoclonal antibody 473HD, which binds to the surface of early differentiation stages of murine astrocytes and oligodendrocytes, reacts with the chondroitin sulfate/dermatan sulfate hybrid epitope DSD-1 expressed on a central nervous system chondroitin sulfate proteoglycan designated DSD-1-PG. When purified from detergent-free postnatal days 7 to 14 mouse brain extracts, DSD-1-PG displays an apparent molecular mass between 800-1,000 kD with a prominent core glycoprotein of 350-400 kD. Polyclonal anti-DSD-1-PG antibodies and monoclonal antibody 473HD react with the same molecular species as shown by immunocytochemistry and sequential immunoprecipitation performed on postnatal mouse cerebellar cultures, suggesting that the DSD-1 epitope is restricted to one proteoglycan. DSD-1-PG promotes neurite outgrowth of embryonic day 14 mesencephalic and embryonic day 18 hippocampal neurons from rat, a process which can be blocked by monoclonal antibody 473HD and by enzymatic removal of the DSD-1-epitope. These results show that the hybrid glycosaminoglycan structure DSD-1 supports the morphological differentiation of central nervous system neurons.

Abstract The vertebrate ‘neural plate border’ is a transient territory located at the edge of the neural plate containing precursors for all ectodermal derivatives: the neural plate; neural crest; placodes; and epidermis. Elegant functional experiments in a range of vertebrate models have provided an in-depth understanding of gene regulatory interactions within the ectoderm. However, these experiments conducted at tissue level raise seemingly contradictory models for fate allocation of individual cells. Here, we carry out single cell RNA sequencing of chick ectoderm from primitive streak to neurulation stage, to explore cell state diversity and heterogeneity. We characterise the dynamics of gene modules containing key factors known to regulate ectodermal cell fates, allowing us to model the order in which these fates are specified. Furthermore, we find that genes previously classified as neural plate border specifiers typically exhibit dynamic expression patterns and are biased towards either placodal or neural crest fates, revealing that the neural plate border should be seen as an anatomical region of the ectoderm and not a discrete transcriptional state. Through co-expression of placodal and neural crest markers, we identify a population of border located unstable progenitors (BLUPs) which gradually reduces in size as fate segregation occurs. Considering our findings, we propose a ‘gradient border’ model for cell fate choice at the neural plate border, with the probability of cell fate allocation closely tied to the spatiotemporal positioning of cells.

Abstract The vertebrate inner ear arises from a pool of progenitors with the potential to contribute to all the sense organs and cranial ganglia in the head. Here we explore the molecular mechanisms that control ear specification from these precursors. Using a multi-omics approach combined with loss-of-function experiments we identify a core transcriptional circuit that imparts ear identity, along with the first genome-wide characterization of non-coding elements that integrate this information. This analysis places the transcription factor Sox8 at the top of the ear determination network. Introducing Sox8 into cranial ectoderm not only converts non-ear cells into ear progenitors, but also activates the cellular programs for ear morphogenesis and neurogenesis. Thus, Sox8 has the unique ability to remodel transcriptional networks in the cranial ectoderm towards ear identity.

Abstract During early vertebrate development, signals from a special region of the embryo, the organizer, can re-direct the fate of non-neural ectoderm cells to form a complete, patterned nervous system. This is called neural induction and has generally been imagined as a single signalling event, causing a switch of fate. Here we undertake a comprehensive analysis, in very fine time-course, of the events following exposure of ectoderm to the organizer. Using transcriptomics and epigenomics we generate a Gene Regulatory Network comprising 175 transcriptional regulators and 5,614 predicted interactions between them, with fine temporal dynamics from initial exposure to the signals to expression of mature neural plate markers. Using in situ hybridization, single-cell RNA-sequencing and reporter assays we show that neural induction by a grafted organizer closely resembles normal neural plate development. The study is accompanied by a comprehensive resource including information about conservation of the predicted enhancers in different vertebrate systems.

Neurons and sensory cells are particularly vulnerable to oxidative stress due to their high oxygen demand during stimulus perception and transmission 1-4 . The mechanisms that protect them from stress-induced death and degeneration remain elusive. Here we show that embryonic deletion of the chromodomain helicase DNA-binding protein 7 (CHD7) in auditory neurons or hair cells leads to sensorineural hearing loss due to postnatal degeneration of both cell types. Mechanistically, we demonstrate that CHD7 controls the expression of major stress pathway components. In its absence, hair cells are hypersensitive, dying rapidly after brief exposure to stress inducers, suggesting that sound at the onset of hearing triggers their degeneration. In humans, CHD7 haploinsufficiency causes CHARGE syndrome, a disorder affecting multiple organs including the ear 5,6 . Our findings suggest that CHD7 mutations cause developmentally silent phenotypes that predispose cells to postnatal degeneration due to a failure of protective mechanisms.

During early embryogenesis, the ectoderm is rapidly subdivided into neural, neural crest and sensory progenitors. How the onset of lineage-specific determinants and the loss of pluripotency markers are temporally and spatially coordinated in vivo remains an open question. Here we identify a critical role for the transcription factor PRDM1 in the orderly transition from epiblast to defined neural lineages. Like pluripotency factors, PRDM1 is expressed in all epiblast cells prior to gastrulation, but lost as they begin to differentiate. We show that, unlike pluripotency factors, PRDM1 is initially required for the activation of neural, neural crest and sensory progenitor specifiers and for the downregulation of pluripotency-associated genes. In vivo chromatin immunoprecipitation reveals stage-specific binding of PRDM1 to regulatory regions of neural and sensory progenitor genes, PRDM1-dependent recruitment of the histone demethylase Kdm4a to these regions and associated removal of repressive histone marks. Once lineage determinants become expressed, they repress PRDM1, and our data suggest that PRDM1 downregulation is required for cells to maintain their identity. Thus, PRDM1 mediates chromatin modifications that directly control neural and sensory progenitor genes, and its activities switch from an activator at early stages to a repressor once neural fates have been established.

Abstract Developing tissues are sequentially patterned by extracellular signals that are turned on and off at specific times. In the zebrafish hindbrain, fibroblast growth factor (Fgf) signalling has different roles at different developmental stages: in the early hindbrain, transient Fgf3 and Fgf8 signalling from rhombomere 4 is required for correct segmentation, whereas later, neuronal Fgf20 expression confines neurogenesis to specific spatial domains within each rhombomere. How the switch between these two signalling regimes is coordinated is not known. We present evidence that the promyelocytic leukaemia zinc finger (Plzf) transcription factor is required for this transition to happen in an orderly fashion. Plzf expression is high in the early anterior hindbrain, then gradually upregulated posteriorly and confined to neural progenitors. In mutants lacking functional Plzf, fgf3 expression fails to be downregulated and persists until a late stage, resulting in excess and more widespread Fgf signalling during neurogenesis. Accordingly, the spatial pattern of neurogenesis is disrupted in plzf mutants. Our results reveal how the distinct stage-specific roles of Fgf signalling are coordinated in the zebrafish hindbrain.

The fibroblast growth factor pathway is essential for inner ear induction in many vertebrates, however how it regulates the chromatin landscape to coordinate the activation of otic genes remains unclear. Here we show that FGF exposure of sensory progenitors leads to rapid deposition of active chromatin marks H3K27ac near hundreds of FGF-responsive, otic-epibranchial progenitor (OEP) genes, while H3K27ac is depleted in the vicinity of non-otic genes. Genomic regions that gain H3K27ac act as cis-regulatory elements controlling OEP gene expression in time and space and define a unique transcription factor signature likely to control their activity. Finally, we provide evidence that in response to FGF signalling the transcription factor dimer AP1 recruits the histone acetyl transferase p300 to OEP enhancers and that de novo acetylation is required for subsequent expression of OEP genes. Thus, during ear induction FGF signalling modifies the chromatin landscape to promote enhancer activation and chromatin accessibility.