Abstract Axolotls are uniquely able to resolve spinal cord injuries, but little is known about the mechanisms underlying spinal cord regeneration. We previously found that tail amputation leads to reactivation of a developmental-like program in spinal cord ependymal cells (Rodrigo Albors et al ., 2015), characterized by a high-proliferation zone emerging 4 days post-amputation (Rost et al ., 2016). What underlies this spatiotemporal pattern of cell proliferation, however, remained unknown. Here, we use modelling, tightly linked to experimental data, to demonstrate that this regenerative response is consistent with a signal that recruits ependymal cells during 85 hours after amputation within ~ 830□m of the injury. We adapted FUCCI technology to axolotls (AxFUCCI) to visualize cell cycles in vivo. AxFUCCI axolotls confirmed the predicted appearance time and size of the injury-induced recruitment zone and revealed cell cycle synchrony between ependymal cells. Our modeling and imaging move us closer to understanding bona fide spinal cord regeneration.

Abstract Salamander limb regeneration is an accurate process which gives rise exclusively to the missing structures, irrespective of the amputation level. This suggests that cells in the stump have an awareness of their spatial location, a property termed ‘positional identity’. Little is known about how positional identity is encoded, in salamanders or other biological systems. Through single-cell RNAseq analysis, we identified Tig1/Rarres1 as a potential determinant of proximal identity. Tig1 encodes a conserved cell surface molecule, is regulated by retinoic acid and exhibits a graded expression along the proximo-distal axis of the limb. Its overexpression leads to regeneration defects in the distal elements and elicits proximal displacement of blastema cells, while its neutralisation blocks proximo-distal cell surface interactions. Critically, Tig1 reprogrammes distal cells to a proximal identity, upregulating Prod1 and inhibiting Hoxa13 and distal transcriptional networks. Thus, Tig1 is a central cell surface determinant of proximal identity in the salamander limb.

Abstract Background The axolotl is a key model to study appendicular regeneration. The limb complexity resembles that of humans in structure and tissue components; however, axolotl limbs develop post-embryonically. In this work, we evaluated the post-embryonic development of the appendicular skeleton and its changes with aging. Results The juvenile limb skeleton is formed mostly by Sox9 / Col1a2 cartilage cells. Ossification of the appendicular skeleton starts when animals reach a length of 10 cm, and cartilage cells are replaced by a primary ossification center, consisting of cortical bone and an adipocyte-filled marrow cavity. Vascularization is associated with the ossification center and the marrow cavity formation. We identified the contribution of Col1a2 -descendants to bone and adipocytes. Moreover, ossification progresses with age towards the epiphyses of long bones. Axolotls are neotenic salamanders, and still ossification remains responsive to L-thyroxine, increasing the rate of bone formation. Conclusions In axolotls, bone maturation is a continuous process that extends throughout their life. Ossification of the appendicular bones is slow and continues until the complete element is ossified. The cellular components of the appendicular skeleton change accordingly during ossification, creating a heterogenous landscape in each element. The continuous maturation of the bone is accompanied by a continuous body growth.

Abstract The reaction-diffusion model constitutes one of the most influential mathematical models to study distribution of morphogens in tissues. Despite its widespread use, the effect of finite tissue size on model-predicted spatiotemporal morphogen distributions has not been completely elucidated. In this study, we analytically investigated the spatiotemporal distributions of morphogens predicted by a reaction-diffusion model in a finite 1D domain, as a proxy for a biological tissue, and compared it with the solution of the infinite-domain model. We explored the reduced parameter, the tissue length in units of a characteristic reaction-diffusion length, and identified two reaction-diffusion regimes separated by a crossover tissue size estimated in ∼3.3 characteristic reaction-diffusion lengths. While above this crossover the infinite-domain model constitutes a good approximation, it breaks below this crossover, whereas the finite-domain model faithfully describes the entire parameter space. We evaluated whether the infinite-domain model renders accurate estimations of diffusion coefficients when fitted to finite spatial profiles, a procedure typically followed in Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) experiments. We found that the infinite-domain model overestimates diffusion coefficients when the domain is smaller than the crossover tissue size. Thus, the crossover tissue size may be instrumental in selecting the suitable reaction-diffusion model to study tissue morphogenesis.

ABSTRACT After mid-gastric bisection, Hydra regenerates a head from the lower half and a basal disc from the upper one. What signals elicit two distinct regenerative responses in bisected Hydra remains unknown. A mathematical modeling approach based on quantitative data linked to MAPK activation and injury-induced cell death predicts an immediate release of a locally restricted short-lived signal in apical-regenerating tips. We found that Reactive oxygen species (ROS) fulfill this role as evidenced by the injury-induced production of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), three-fold higher in apical-regenerating tips than in basal ones. By contrast, mitochondrial superoxide (mtO 2 .- ) is similarly produced on each side of the cut, playing a positive role on wound healing as mtO 2 .- scavenging delays healing whereas knocking-down Super Oxide Dismutase ( SOD ) leads to mtO 2 .- accumulation and acceleration of wound-healing. In intact Hydra , the ROS-processing enzyme activities are inversely graded along the body column, basal-to-apical for SOD and apical-to-basal for catalase, explaining the asymmetrical levels of H 2 O 2 after bisection. High H 2 O 2 levels trigger injury-induced cell death via paracrine signaling in apical-regenerating tips, where NOX4 and CYBB enzymes amplify them. Hence, the asymmetrical regulation of H 2 O 2 levels immediately after amputation is crucial to activate two distinct regenerative responses in Hydra .

Abstract During tissue development and regeneration, cells interpret and exert mechanical forces that are challenging to measure in vivo. Therefore, stress inference algorithms have emerged as powerful tools to estimate tissue stresses. However, how to incorporate tissue dynamics effectively into the inference remains elusive. Here, we present ForSys, a Python-based software that estimates intercellular stresses and intracellular pressures using time-lapse microscopy. We validated ForSys in silico and in vivo using the well-characterized mucociliary epithelium of the Xenopus embryo. We applied ForSys to study the migrating zebrafish lateral line primordium. We found that stress increases during cell rounding just before cell division and predicted the onset of epithelial rosettogenesis with high accuracy. Finally, we analyzed the development of the zebrafish neuromast and inferred mechanical asymmetries in a cell type-specific adhesion pattern. The versatility and simplicity of ForSys enhance the toolkit for studying spatiotemporal patterns of mechanical forces during tissue morphogenesis in vivo.

Abstract Both development and regeneration depend on signalling centres, which are sources of locally secreted tissue-patterning molecules. As many signalling centres are decommissioned before the end of embryogenesis, a fundamental question is how signalling centres can be re-induced later in life to promote regeneration after injury. Here, we use the axolotl salamander model ( Ambystoma mexicanum ) to address how the floor plate is assembled for spinal cord regeneration. The floor plate is an archetypal vertebrate signalling centre that secretes Shh ligand and patterns neural progenitor cells during embryogenesis. Unlike mammals, axolotls continue to express floor plate genes (including Shh ) and downstream dorsal-ventral patterning genes in their spinal cord throughout life, including at steady state. The parsimonious hypothesis that Shh + cells give rise to functional floor plate cells for regeneration had not been tested. Using HCR in situ hybridisation and mathematical modelling, we first quantitated the behaviours of dorsal-ventral spinal cord domains, identifying significant increases in gene expression level and floor plate size during regeneration. Next, we established a transgenic axolotl to specifically label and fate map Shh + cells in vivo . We found that labelled Shh+ cells gave rise to regeneration floor plate, and not to other neural progenitor domains, after tail amputation. Thus, despite changes in domain size and downstream patterning gene expression, Shh + cells retain their floor plate identity during regeneration, acting as a stable cellular source for this regeneration signalling centre in the axolotl spinal cord.

Multi-scale hybrid computational model can explain axolotl spinal cord regenerationSpinal cord regeneration strongly depends on the characteristic length of the signal Regeneration triggered by cell-cycle acceleration compatible with transient signalingThe regeneration-inducing signal is consistent with a reaction-diffusion mechanism

Abstract Axolotls are uniquely able to completely regenerate the spinal cord after amputation. The underlying governing mechanisms of this regenerative response have not yet been fully elucidated. We previously found that spinal cord regeneration is mainly driven by cell cycle acceleration of ependymal cells, recruited by a hypothetical signal propagating from the injury. However, the nature of the signal and its propagation remain unknown. In this theoretical study, we investigated whether the regeneration-inducing signal can follow a reaction-diffusion process. We developed a computational model, validated it with experimental data and showed that the signal dynamics can be understood in terms of reaction-diffusion mechanism. By developing a theory of the regenerating outgrowth in the limit of fast reaction-diffusion, we demonstrate that control of regenerative response solely relies on cell-to-signal sensitivity and the signal reaction-diffusion characteristic length. This study lays foundations for further identification of the signal controlling regeneration of the spinal cord.

In the early developing nervous system, self-renewing neural stem cells are polarized and maintain an apical domain facing a central lumen. The presence of apical membrane is thought to have a profound influence on maintaining the stem cell state. With the onset of neurogenesis cells lose their polarization and the concomitant loss of the apical domain coincides with a loss of the stem cell identity. Very little is known about the molecular signals controlling apical membrane size. Here we use two neuroepithelial cell systems, one derived from regenerating axolotl spinal cord and the other from human ESCs to identify a conserved molecular signalling pathway initiated by lysophosphatidic acid (LPA) that controls apical membrane size and consequently controls and maintains epithelial organization and lumen size in neuroepithelial rosettes. This apical domain size increase occurs independently of effects on proliferation and involves a SRF-dependent transcriptional induction of junctional and apical membrane components.