ABSTRACT Tooth development starts with formation of the dental lamina, a localized thickening of the maxillary and mandibular epithelium, at specific location of oral cavity. How this dental lamina is specified within the continuous naïve maxillary and mandibular epithelium, remains as a critical and unresolved question. To identify potential genes and transcriptional regulatory networks that controlling dental lamina formation, we utilized single-cell Multiome-seq and Laser Microdissection coupled RNA-seq to profile gene expression and open chromatin of mandibular epithelium during tooth initiation. We comprehensively identified transcription factors (TFs) and signaling pathways that are differentially expressed among different domains (including dental lamina) along dorsal-ventral axis of mandibular epithelium. Specifically, we found Sox2 and Tfap2a/Tfap2b forming two complementary domains along the dorsal-ventral axis of mandibular epithelium. Furthermore, dental lamina specific or enriched TFs such as Pitx1, Pitx2 and Zfp536 are presented around the interface of Sox2 and Tfap2a/Tfap2b . We also identified correlation between signaling pathways and domain specific TFs. Through computational analysis of single-cell Multiome-seq dataset, we identified potential key/driver TFs and core transcriptional regulatory networks (TRNs) for lineages (oral, dental, skin) specification during tooth initiation. Our computational analysis also reveals a potential cross repression interactions between different groups of TFs (i.e. Pitx1/Pitx2 and Tfap2a/Tfap2b ) that might be essential for dental lamina specification.

ABSTRACT The facial surface ectoderm is essential for normal development of the underlying cranial neural crest cell populations, providing signals that direct appropriate growth, patterning, and morphogenesis. Despite the importance of the ectoderm as a signaling center, the molecular cues and genetic programs implemented within this tissue are understudied. Here we show that removal of two members of the AP-2 transcription factor family, AP-2α and AP-2ß, within the early embryonic ectoderm leads to major alterations in the mouse craniofacial complex. Significantly, there are clefts in both the upper face and mandible, accompanied by fusion of the upper and lower jaws in the hinge region. Comparison of ATAC-seq and RNA-seq analyses between controls and mutants revealed significant changes in chromatin accessibility and gene expression centered on multiple AP-2 binding motifs associated with enhancer elements within these ectodermal lineages. In particular, loss of these AP-2 proteins affects both skin differentiation as well as multiple signaling pathways, most notably the WNT pathway. The role of reduced Wnt signaling throughput in the mutant phenotype was further confirmed using reporter assays and rescue experiments involving Wnt1 ligand overexpression. Collectively, these findings highlight a conserved ancestral function for AP-2 transcription factors in ectodermal development and signaling, and provide a framework from which to understand the gene regulatory network operating within this tissue that directs vertebrate craniofacial development.

Abstract In developing melanocytes and in melanoma cells, multiple paralogs of the Activating-enhancer-binding Protein 2 family of transcription factors (TFAP2) contribute to expression of genes encoding pigmentation regulators, but their interaction with Microphthalmia transcription factor (MITF), a master regulator of these cells, is unclear. Supporting the model that Tfap2 facilitates MITF’s ability to activate expression of pigmentation genes, single-cell seq analysis of zebrafish embryos revealed that pigmentation genes are only expressed in the subset of mitfa - expressing cells that also express Tfap2 paralogs. To test this model in SK-MEL-28 melanoma cells we deleted the two TFAP2 paralogs with highest expression, TFAP2A and TFAP2C, creating TFAP2 knockout ( TFAP2 -KO) cells. We then assessed gene expression, chromatin accessibility, binding of TFAP2A and of MITF, and the chromatin marks H3K27Ac and H3K27Me3 which are characteristic of active enhancers and silenced chromatin, respectively. Integrated analyses of these datasets indicate TFAP2 paralogs directly activate enhancers near genes enriched for roles in pigmentation and proliferation, and directly repress enhancers near genes enriched for roles in cell adhesion. Consistently, compared to WT cells, TFAP2 -KO cells proliferate less and adhere to one another more. TFAP2 paralogs and MITF co-operatively activate a subset of enhancers, with the latter necessary for MITF binding and chromatin accessibility. By contrast, TFAP2 paralogs and MITF do not appear to co-operatively inhibit enhancers. These studies reveal a mechanism by which TFAP2 profoundly influences the set of genes activated by MITF, and thereby the phenotype of pigment cells and melanoma cells.

ABSTRACT Cranial neural crest development is governed by positional gene regulatory networks (GRNs). Fine-tuning of the GRN components underly facial shape variation, yet how those in the midface are connected and activated remain poorly understood. Here, we show that concerted inactivation of Tfap2a and Tfap2b in the murine neural crest even during the late migratory phase results in a midfacial cleft and skeletal abnormalities. Bulk and single-cell RNA-seq profiling reveal that loss of both Tfap2 members dysregulated numerous midface GRN components involved in midface fusion, patterning, and differentiation. Notably, Alx1/3/4 ( Alx ) transcript levels are reduced, while ChIP-seq analyses suggest TFAP2 directly and positively regulates Alx gene expression. TFAP2 and ALX co-expression in midfacial neural crest cells of both mouse and zebrafish further implies conservation of this regulatory axis across vertebrates. Consistent with this notion, tfap2a mutant zebrafish present abnormal alx3 expression patterns, and the two genes display a genetic interaction in this species. Together, these data demonstrate a critical role for TFAP2 in regulating vertebrate midfacial development in part through ALX transcription factor gene expression.

Abstract Non-syndromic orofacial clefts (NSOFCs) are common birth defects with a complex etiology. While over 60 common risk loci have been identified, they explain only a small proportion of the heritability for NSOFCs. Rare variants have been implicated in the missing heritability. Thus, our study aimed to identify genes enriched with nonsynonymous rare coding variants associated with NSOFCs. Our sample included 814 non-syndromic cleft lip with or without palate (NSCL/P), 205 non-syndromic cleft palate only (NSCPO), and 2150 unrelated control children from Nigeria, Ghana, and Ethiopia. We conducted a gene-based analysis separately for each phenotype using three rare-variants collapsing models: (1) protein-altering (PA), (2) missense variants only (MO); and (3) loss of function variants only (LOFO). Subsequently, we utilized relevant transcriptomics data to evaluate associated gene expression and examined their mutation constraint using the gnomeAD database. In total, 13 genes showed suggestive associations (p = E−04). Among them, eight genes (ABCB1, ALKBH8, CENPF, CSAD, EXPH5, PDZD8, SLC16A9, and TTC28) were consistently expressed in relevant mouse and human craniofacial tissues during the formation of the face, and three genes (ABCB1, TTC28, and PDZD8) showed statistically significant mutation constraint. These findings underscore the role of rare variants in identifying candidate genes for NSOFCs.

How the dorsal-ventral axis of the vertebrate jaw, particularly the position of tooth initiation site, is established remains a critical and unresolved question. Tooth development starts with the formation of the dental lamina, a localized thickened strip within the maxillary and mandibular epithelium. To identify transcriptional regulatory networks (TRN) controlling the specification of dental lamina from the naïve mandibular epithelium, we utilized Laser Microdissection coupled low-input RNA-seq (LMD-RNA-seq) to profile gene expression of different domains of the mandibular epithelium along the dorsal-ventral axis. We comprehensively identified transcription factors (TFs) and signaling pathways that are differentially expressed along mandibular epithelial domains (including the dental lamina). Specifically, we found that the TFs Sox2 and Tfap2 (Tfap2a/Tfap2b) formed complimentary expression domains along the dorsal-ventral axis of the mandibular epithelium. Interestingly, both classic and novel dental lamina specific TFs—such as Pitx2 , Ascl5 and Zfp536 —were found to localize near the Sox2 : Tfap2a/Tfap2b interface. To explore the functional significance of these domain specific TFs, we next examined loss-of-function mouse models of these domain specific TFs, including the dental lamina specific TF, Pitx2 , and the ventral surface ectoderm specific TFs Tfap2a and Tfap2b . We found that disruption of domain specific TFs leads to an upregulation and expansion of the alternative domain’s TRN. The importance of this cross-repression is evident by the ectopic expansion of Pitx2 and Sox2 positive dental lamina structure in Tfap2a / Tfap2b ectodermal double knockouts and the emergence of an ectopic tooth in the ventral surface ectoderm. Finally, we uncovered an unappreciated interface of mesenchymal SHH and WNT signaling pathways, at the site of tooth initiation, that were established by the epithelial domain specific TFs including Pitx2 and Tfap2a/Tfap2b . These results uncover a previously unknown molecular mechanism involving cross-repression of domain specific TFs including Pitx2 and Tfap2a/Tfap2b in patterning the dorsal-ventral axis of the mouse mandible, specifically the regulation of tooth initiation site.

Abstract Mice possess two types of teeth that differ in their cusp patterns; incisors have one cusp and molars have multiple cusps. The patterning of these two types of teeth relies on fine-tuning of the reciprocal molecular signaling between dental epithelial and mesenchymal tissues during embryonic development. Here we show that the incisors are populated only at early time points by the neural crest, whereas the molars continue to receive contributions at later stages, revealing a temporal difference that could alter epithelial-mesenchymal signaling dynamics between these two types of teeth. The AP-2 transcription factors, particularly Tfap2a and Tfap2b , are essential components of such epithelial-mesenchymal signaling interactions that coordinate craniofacial development in mice and other mammals, but little is known about their roles in the regulation of tooth development and shape. We demonstrate that incisors and molars differ in their temporal and spatial expression of Tfap2a and Tfap2b ; in particular, at the bud stage, Tfap2a is expressed in both the epithelium and mesenchyme of the incisors and molars but expression of Tfap2b is restricted to the mesenchyme of the molars. Tissue-specific deletions show that loss of the epithelial domain of Tfap2a and Tfap2b affects the number and spatial arrangement of the incisors, notably resulting in duplicated lower incisors. In contrast, deletion of these two genes in the mesenchymal domain has little effect on tooth development. Collectively these results implicate epithelial expression of Tfap2a and Tfap2b in dorsal-ventral patterning of the incisors and suggest that these genes contribute to morphological differences between anterior (incisor) and posterior (molar) teeth within the mammalian dentition. Highlights Late-migrating cranial neural crest cells contribute extensively to the developing molar tooth germs but minimally to the incisors. During tooth development, transcription factors Tfap2a and Tfap2b are expressed in spatially and temporally dynamic patterns and differ between incisor and molar tooth germs. Epithelial expression of Tfap2a and Tfap2b is necessary for incisor development, but mesenchymal expression of these genes is not required.

Alternative polyadenylation (APA) regulates mRNA translation, stability, and protein localization. However, it is unclear to what extent APA regulates these processes uniquely in specific cell types. Using a new technique, cTag-PAPERCLIP, we discovered significant differences in APA between the principal types of mouse cerebellar neurons, the Purkinje and granule cells, as well as between proliferating and differentiated granule cells. Transcripts that differed in APA in these comparisons were enriched in key neuronal functions and many differed in coding sequence in addition to 3′UTR length. We characterize Memo1, a transcript that shifted from expressing a short 3′UTR isoform to a longer one during granule cell differentiation. We show that Memo1 regulates granule cell precursor proliferation and that its long 3′UTR isoform is targeted by miR-124, contributing to its downregulation during development. Our findings provide insight into roles for APA in specific cell types and establish a platform for further functional studies.

ABSTRACT While many reptiles can replace their tooth throughout life, human loss the tooth replacement capability after formation of the permanent teeth. It was thought that the difference in tooth regeneration capability depends on the persistence of a specialized dental epithelial structure, the dental lamina that contains dental epithelial stem cells (DESC). Currently, we know very little about DESC such as what genes are expressed or its chromatin accessibility profile. Multiple markers of DESC have been proposed such as Sox2 and Lgr5 . Few single cell RNA-seq experiments have been performed previously, but no obvious DESC cluster was identified in these scRNA-seq datasets, possible due to that the expression level of DESC markers such as Sox2 and Lgr5 is too low or the percentage of DESC is too low in whole tooth. We utilize a mouse line Sox2-GFP to enrich Sox2+ DESC and use Smart-Seq2 protocol and ATAC-seq protocol to generate transcriptome profile and chromatin accessibility profile of P2 Sox2+ DESC. Additionally, we generate transcriptome profile and chromatin accessibility profile of E11.5 Sox2+ dental lamina cells. With transcriptome profile and chromatin accessibility profile, we systematically identify potential key transcription factors for E11.5 Sox2+ cells and P2 Sox2+ cells. We identified transcription factors including Pitx2, Id3, Pitx1, Tbx1, Trp63, Nkx2-3, Grhl3, Dlx2, Runx1, Nfix, Zfp536 , etc potentially formed the core transcriptional regulatory networks of Sox2+ DESC in both embryonic and postnatal stages.