Understanding the molecular mechanisms that regulate cellular proliferation and differentiation is a central theme of developmental biology. MicroRNAs (miRNAs) are a class of regulatory RNAs of ∼22 nucleotides that post-transcriptionally regulate gene expression1,2. Increasing evidence points to the potential role of miRNAs in various biological processes3,4,5,6,7,8. Here we show that miRNA-1 (miR-1) and miRNA-133 (miR-133), which are clustered on the same chromosomal loci, are transcribed together in a tissue-specific manner during development. miR-1 and miR-133 have distinct roles in modulating skeletal muscle proliferation and differentiation in cultured myoblasts in vitro and in Xenopus laevis embryos in vivo. miR-1 promotes myogenesis by targeting histone deacetylase 4 (HDAC4), a transcriptional repressor of muscle gene expression. By contrast, miR-133 enhances myoblast proliferation by repressing serum response factor (SRF). Our results show that two mature miRNAs, derived from the same miRNA polycistron and transcribed together, can carry out distinct biological functions. Together, our studies suggest a molecular mechanism in which miRNAs participate in transcriptional circuits that control skeletal muscle gene expression and embryonic development.

ABSTRACT The 413.d insertional mutation arrests mouse development shortly after gastrulation. nodal, a novel TGFb-related gene, is closely associated with the locus. The present study provides direct evidence that the proviral insertion causes a loss of function mutation. nodal RNA is initially detected at day 5.5 in the primitive ectoderm. Concomitant with gastrulation, expression becomes restricted to the proximal posterior regions of the embryonic ectoderm. nodal RNA is also expressed in the primitive endoderm overlying the primitive streak. A few hours later, expression is strictly confined to the periphery of the mature node. Interestingly 413.d mutant embryos show no morphological evidence for the formation of a primitive streak. Nonetheless, about 25% of mutant embryos do form randomly positioned patches of cells of a posterior mesodermal character. Data presented in this report demonstrate the involvement of a TGFb-related molecule in axis formation in mammals.

Mapping the chromatin occupancy of transcription factors (TFs) is a key step in deciphering developmental transcriptional programs. Here we use biotinylated knockin alleles of seven key cardiac TFs (GATA4, NKX2-5, MEF2A, MEF2C, SRF, TBX5, TEAD1) to sensitively and reproducibly map their genome-wide occupancy in the fetal and adult mouse heart. These maps show that TF occupancy is dynamic between developmental stages and that multiple TFs often collaboratively occupy the same chromatin region through indirect cooperativity. Multi-TF regions exhibit features of functional regulatory elements, including evolutionary conservation, chromatin accessibility, and activity in transcriptional enhancer assays. H3K27ac, a feature of many enhancers, incompletely overlaps multi-TF regions, and multi-TF regions lacking H3K27ac retain conservation and enhancer activity. TEAD1 is a core component of the cardiac transcriptional network, co-occupying cardiac regulatory regions and controlling cardiomyocyte-specific gene functions. Our study provides a resource for deciphering the cardiac transcriptional regulatory network and gaining insights into the molecular mechanisms governing heart development.

ABSTRACT Male and female disease states differ in their prevalence, treatment responses, and survival rates. In cardiac disease, women almost uniformly fare far worse than men. Though sex plays a critical role in cardiac disease, the mechanisms underlying sex differences in cardiac homeostasis and disease remain unexplained. Here, in adult and embryonic hearts we reveal sex-specific transcriptomes and proteomes and show that cardiac sex differences are predominately accounted for by post-transcriptional mechanisms. We found differential expression of male-female proteins in the cardiomyocytes. Using a quantitative proteomics-based approach, we characterized differential sex-specific enriched cardiac proteins, protein complexes, and biological sex processes in the context of global genetic diversity of the Collaborative Cross, an established surrogate for human diversity. We also found that sex differences in cardiac protein expression are established by both hormonal and sex chromosomal mechanisms. We have demonstrated the onset of sex-biased protein expression and discovered that sex disparities in heart tissue occur at the earliest stages of heart development at a period that preceeds mammalian gonadal development. Collectively, these findings may explain why congenital heart disease, a leading cause of death whose origin is often developmental, is sex biased. Our results reveal molecular foundations for differences in cardiac tissue that underlie sex disparities in health, disease, and treatment outcomes.

Abstract Background Left ventricular noncompaction (LVNC) is a prevalent cardiomyopathy associated with excessive trabeculation and thin compact myocardium. Patients with LVNC are vulnerable to cardiac dysfunction and at high risk of sudden death. Although sporadic and inherited mutations in cardiac genes are implicated in LVNC, understanding of the mechanisms responsible for human LVNC is limited. Methods We screened the complete exome sequence database of the Pediatrics Cardiac Genomics Consortium and identified a cohort with a de novo chromodomain helicase DNA-binding protein 4 (CHD4) proband, CHD4 M202I , with congenital heart defects. We engineered a patient-specific model of CHD4 M202I (mouse CHD4 M195I ). Histological analysis, immunohistochemistry, flow cytometry, transmission electron microscopy, and echocardiography were used to analyze cardiac anatomy and function. Ex vivo culture, immunopurification coupled with mass spectrometry, transcriptional profiling, and chromatin immunoprecipitation were performed to deduce the mechanism of CHD4 M195I -mediated ventricular wall defects. Results CHD4 M195I/M195I mice developed biventricular hypertrabeculaion and noncompaction and died at birth. Proliferation of cardiomyocytes was significantly increased in CHD4 M195I hearts, and the excessive trabeculation was associated with accumulation of extracellular matrix (ECM) proteins and a reduction of ADAMTS1, an ECM protease. We rescued the hyperproliferation and hypertrabeculation defects in CHD4 M195I hearts by administration of ADAMTS1. Mechanistically, the CHD4 M195I protein showed augmented affinity to endocardial BRG1. This enhanced affinity resulted in failure of derepression of Adamts1 transcription such that ADAMTS1-mediated trabeculation termination was impaired. Conclusions Our study reveals how a single mutation in the chromatin remodeler CHD4, in mice or humans, modulates ventricular chamber maturation and that cardiac defects associated with the missense mutation CHD4 M195I can be attenuated by the administration of ADAMTS1. Clinical Perspective What Is New? A patient-specific mouse model of CHD4 M202I develops ventricular hypertrabeculation and dies at birth. Proliferation of cardiomyocytes is significantly enhanced in CHD4 M195 I mice. ADAMTS1 is significantly downregulated in CHD4 M195I mice. Close interaction between CHD4 M195I and BRG1 robustly and continuously represses Adamts1 transcription, which impairs ADAMTS1-mediated termination of trabeculation in the developing mutant heart. What Are the Clinical Implications? This study provides a unique mouse model of ventricular noncompaction cardiomyopathy that faithfully reflects human patients’ genetic condition without disturbing the target gene’s expression and localization. Transcriptional repression of ECM protease ADAMTS1 by CHD4-BRG1 interaction is detrimental to ventricular wall maturation; maintaining appropriate ADAMTS1 levels in the heart could be a promising therapeutic approach for treating ventricular noncompaction cardiomyopathy.

SUMMARY Defining the molecular mechanisms that govern heart development is essential for identifying the etiology of congenital heart disease. Here, quantitative proteomics was used to measure temporal changes in the cardiac proteome at eight critical stages of murine embryonic heart development. Global temporal profiles of the over 7,300 identified proteins uncovered signature cardiac protein interaction networks that linked protein dynamics with molecular pathways. Using this integrated dataset, we identified and established a functional role for the mevalonate pathway in the regulation of embryonic cardiomyocyte proliferation and cell signaling. Overall, our proteomic datasets are an invaluable resource for studying molecular events that regulate embryonic heart development and contribute to congenital heart disease.

The laboratory mouse is the most widely used animal model for biomedical research, due in part to its well annotated genome, wealth of genetic resources and the ability to precisely manipulate its genome. Despite the importance of genetics for mouse research, genetic quality control (QC) is not standardized, in part due to the lack of cost effective, informative and robust platforms. Genotyping arrays are standard tools for mouse research and remain an attractive alternative even in the era of high-throughput whole genome sequencing. Here we describe the content and performance of a new Mouse Universal Genotyping Array (MUGA). MiniMUGA, an array-based genetic QC platform with over 11,000 probes. In addition to robust discrimination between most classical and wild-derived laboratory strains, MiniMUGA was designed to contain features not available in other platforms: 1) chromosomal sex determination, 2) discrimination between substrains from multiple commercial vendors, 3) diagnostic SNPs for popular laboratory strains, 4) detection of constructs used in genetically engineered mice, and 5) an easy to interpret report summarizing these results. In-depth annotation of all probes should facilitate custom analyses by individual researchers. To determine the performance of MiniMUGA we genotyped 6,899 samples from a wide variety of genetic backgrounds. The performance of MiniMUGA compares favorably with three previous iterations of the MUGA family of arrays both in discrimination capabilities and robustness. We have generated publicly available consensus genotypes for 241 inbred strains including classical, wild-derived and recombinant inbred lines. Here we also report the detection of a substantial number of XO and XXY individuals across a variety of sample types, the extension of the utility of reduced complexity crosses to genetic backgrounds other than C57BL/6, and the robust detection of 17 genetic constructs. There is preliminary but striking evidence that the array can be used to identify both partial sex chromosome duplication and mosaicism, and that diagnostic SNPs can be used to determine how long inbred mice have been bred independently from the main stock for a significant action of the genotyped inbred samples. We conclude that MiniMUGA is a valuable platform for genetic QC and important new tool to the increase rigor and reproducibility of mouse research.

ABSTRACT Tbx20 plays a multifaceted role in cardiac morphogenesis and controls a broad gene regulatory network. However, the mechanism by which Tbx20 activates and represses target genes in a tissue-specific and temporal manner remains unclear. Studies show that Tbx20 directly interacts with the Transducin-like Enhancer of Split (TLE) family of proteins to mediate transcriptional repression of downstream target genes. However, a functional role for the Tbx20-TLE transcriptional repression complex during heart development is not established. To this end, we generated a mouse model with a two-amino acid substitution in the Tbx20 EH1 domain, thereby disrupting the Tbx20-TLE interaction (Tbx20 EH1mut ). We demonstrate that disruption of this interaction impairs critical morphogenic events, including cardiac looping and chamber formation, and ultimately leads to embryonic lethality. Transcriptional profiling of Tbx20 EH1mut hearts and analysis of putative Tbx20 direct targets reveals misexpression of the retinoic acid pathway and cardiac progenitor genes, demonstrating that the Tbx20-TLE interaction serves to inhibit cardiac progenitor programs in the developing heart. We find that loss of this interaction also results in perturbations of the second heart field progenitor population, implying that altered cardiac progenitor function may underly the observed cardiac defects in our model. Our studies indicate that TLE-mediated repression is a primary mechanism by which Tbx20 systematically controls gene expression.

Abstract The Nucleosome Remodeling and Deacetylase (NuRD) complex is one of the central chromatin remolding complexes that mediate gene repression. NuRD is essential for numerous developmental events, including heart development. Clinical and genetic studies have provided direct evidence for the role of chromodomain helicase DNA-binding protein 4 (CHD4), the catalytic component of NuRD, in congenital heart disease (CHD), including atrial and ventricular septal defects. Further, it has been demonstrated that CHD4 is essential for mammalian cardiomyocyte formation and function. A key unresolved question is how CHD4/NuRD is localized to specific cardiac targets genes, as neither CHD4 nor NuRD can directly bind DNA. Here, we coupled a bioinformatics-based approach with mass spectrometry analyses to demonstrate that CHD4 interacts with the core cardiac transcription factors GATA4, NKX2-5 and TBX5 during embryonic heart development. Using transcriptomics and genome-wide occupancy data, we have characterized the genomic landscape of GATA4, NKX2-5 and TBX5 repression and defined the direct cardiac gene targets of GATA4-CHD4, NKX2-5-CHD4 and TBX5-CHD4 complexes. These data were used to identify putative cis-regulatory elements regulated controlled by these complexes. We genetically interrogated two of these silencers in vivo, Acta1 and Myh11 . We show that deletion of these silencers leads to inappropriate skeletal and smooth muscle gene mis-expression, respectively, in the embryonic heart. These results delineate how CHD4/NuRD is localized to specific cardiac loci and explicates how mutations in the broadly expressed CHD4 protein lead to cardiac specific disease states.