Abstract The development of a functional vertebrate musculoskeletal system requires the combination of contractile muscle and extracellular matrix (ECM)-rich tendons that transmit muscle-generated force to bone. Despite the different embryologic origins, muscle and tendon integrate at the myotendinous junction (MTJ) to seamlessly connect cells and ECM across this interface. While the cell-cell signaling factors that direct development have received considerable attention, how and when the ECM linking these tissues is deposited remains unknown. To address this gap, we analyzed the 3D distribution of different ECM and the influence of skeletal muscle in forelimbs from wildype (WT) and muscle-less Pax3 Cre/Cre mice. At E11.5, prior to MTJ integration, an aligned ECM was present at the presumptive insertion of the long triceps into the WT ulna. Mechanically robust tendon-like and muscle compartmentalization structures, positive for type I collagen, type V collagen, and fibrillin-2, still formed when muscle was knocked out. However, MTJ-specific ECM was not observed when muscle was absent. Our results show that an ECM-based template forms independent of muscle, but muscle is needed for the proper assembly of ECM at the MTJ. Summary statement An aligned ECM template connects tendon and muscle during limb development, independent of muscle progenitor migration into the limb; however, the assembly of MTJ-specific ECM requires the presence of muscle.

Summary The extracellular matrix (ECM) is an integral part of multicellular organisms, connecting different cell layers and tissue types. During morphogenesis and growth, tissues undergo substantial reorganization involving cellular proliferation, migration, and differentiation. While it is intuitive that the ECM remodels in concert, little is known regarding how matrix composition and organization change during development. We utilized tissue fractionation and mass spectrometry to define ECM protein (matrisome) dynamics during murine forelimb development and resolved significant differences in ECM composition as a function of development, disease and tissue type. Additionally, we used bioorthogonal non-canonical amino acid tagging (BONCAT) to label newly synthesized ECM within the developing forelimb. We demonstrate the feasibility of using BONCAT to enrich for newly synthesized matrisome components and identified differences in ECM synthesis between morphogenesis and growth. This resource will guide future research investigating the role of the matrisome during complex tissue development.

Abstract Background The extracellular matrix (ECM) is a network of proteins and glycosaminoglycans that provides structural and biochemical cues to cells. In the kidney, the ECM is critical for nephrogenesis; however, the dynamics of ECM composition and how it relates to 3D structure during development is unknown. Methods Using embryonic day (E)14.5, E18.5, postnatal day (P)3, and adult kidneys, we fractionated proteins based on differential solubilities, performed liquid chromatography tandem-mass spectrometry, and identified changes in ECM protein content (matrisome). Decellularized kidneys were stained for ECM proteins and imaged in 3D using confocal microscopy. Results We observed an increase in interstitial ECM that connect the stromal mesenchyme to the basement membrane (TNXB, COL6A1, COL6A2, COL6A3) between the embryo and adult, and a transient elevation of interstitial matrix proteins (COL5A2, COL12A1, COL26A1, ELN, EMID1, FBN1, LTBP4, THSD4) at perinatal timepoints. Basement membrane proteins critical for metanephric induction (FRAS1, FREM2) were highest in the embryo, whereas proteins necessary for glomerular basement membrane integrity (COL4A3, COL4A4, COL4A5, LAMB2) were more abundant in the adult. 3D visualization revealed a complex interstitial matrix that dramatically changed over development, including the perinatal formation of fibrillar structures that appear to support the medullary rays. Conclusion By correlating 3D ECM spatiotemporal organization with global protein abundance, we identified novel changes in the interstitial matrix during kidney development. This new information regarding the ECM in developing kidneys offers the potential to inform the design of regenerative scaffolds that can guide nephrogenesis in vitro . Significance statement End-stage renal disease is increasing and there are a limited number of organs available for transplantation. Therefore, researchers have focused on understanding how cellular signaling influences kidney development to expand strategies to rebuild a kidney. However, the extracellular matrix (ECM), another critical component that biomechanically regulates nephrogenesis, has been largely neglected. This paper combines proteomics and 3D imaging of the murine kidney to resolve previously undescribed dynamics of the interstitial matrix in the cortex and corticomedullary junction during development. Combined with cell and growth factors, scaffolds modeled after the composition and organization of the developmental ECM have the potential to improve tissue engineering models of the kidney, like organoids.

Abstract Identification and quantitation of newly synthesized proteins (NSPs) are critical to understanding protein dynamics in development and disease. Probing the nascent proteome can be achieved using non-canonical amino acids (ncAAs) to selectively label the NSPs utilizing endogenous translation machinery, which can then be quantitated with mass spectrometry. Since its conception, ncAA labeling has been applied to study many in vitro systems and more recently the in vivo proteomes of complex organisms such as rodents. In vivo labeling is typically achieved by introducing ncAAs into diet, which requires extended labeling times. We have previously demonstrated that labeling the murine proteome is feasible via injection of azidohomoalanine (Aha), a ncAA and methionine (Met) analog, without the need for Met depletion. With the ability to isolate NSPs without applying stress from dietary changes, Aha labeling can address biological questions wherein temporal protein dynamics are significant. However, accessing this temporal resolution requires a more complete understanding of Aha distribution kinetics in tissues. Furthermore, studies of physiological effects of ncAA administration have been limited to gross observation of animal appearance. To address these gaps, we created a deterministic, compartmental model of the biokinetic transport and incorporation of Aha in mice. Parameters were informed from literature and experimentally. Model results demonstrate the ability to predict Aha distribution and labeling under a variety of dosing paradigms and confirms the use of the model as a tool for design of future studies. To establish the suitability of the method for in vivo studies, we investigated the impact of Aha administration on normal physiology by analyzing the plasma metabolome following Aha injection. We show that Aha administration does not significantly perturb cellular functions as reflected by an unchanged plasma metabolome compared to non-injected controls. Author Summary As the machinery of life, proteins play a key role in dynamic processes within an organism. As such, the response of the proteome to perturbation is increasingly becoming a critical component of biological and medical studies. Dysregulation of protein mechanisms following exposure to experimental treatment conditions can implicate physiological mechanisms of health and disease, elucidate toxin/drug response, and highlight potential targets for novel therapies. Traditionally, these questions have been probed by studying perturbations in total proteins following an experimental treatment. However, the proteome is expansive and noisy, often an early response can be indiscernible against the background of unperturbed proteins. Here, we apply a technique to selectively label newly synthesized proteins, which enables capturing early changes in protein behavior. We utilize an amino acid analog that naturally incorporates into proteins, and investigate the tissue distribution, protein labeling efficiency, and potential physiological impact of this analog in mice. Our results demonstrate that we can reproducibly predict protein labeling and that the administration of this analog does not significantly alter in vivo physiology over the course of our experimental study. We further present a computational model that can be used to guide future experiments utilizing this technique to study proteomic responses to stimuli.

Alzheimer's disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder and the most common cause of dementia (2023). Aging is a leading risk factor for sporadic onset of AD. During normal aging, regulatory signaling pathways that are critical for cellular health gradually become less effective, leading to impairment of physiological functions across all tissue systems (Zia et al., 2021). For example, in the healthy brain, the production and clearance of amyloid-β (Aβ) peptides are balanced to maintain appropriate levels of Aβ in the cells, vasculature, and extracellular space. However, with aging, the body loses the ability to maintain this process, leading to an increase of misfolded Aβ peptides and the generation of extracellular plaques (Hampel et al., 2021). These plaques are one of the characteristic pathological features of AD. Insulin/insulin growth factor-1 (IGF-1) signaling, a major pathway implicated in the regulation of aging, may also play a pivotal role in Aβ pathogenesis (Sano et al., 2023). Insulin signaling begins when insulin secreted by the pancreas binds to an IGF-1 receptor, leading to phosphorylation of insulin receptor substrate proteins, IRS1-4 (Zia et al., 2021). These modified substrates independently control distinct intracellular cascades. Genetic deletion of one of these substrates, Irs2 , in mice causes severe type 2 diabetes mellitus, with associated behavioral changes, impairments … Correspondence should be addressed to Kathryn R. Jacobson at kathryn.jacobson{at}pennmedicine.upenn.edu or Hailong Song at hailong.song{at}pennmedicine.upenn.edu.