BMP-7/OP-1, a member of the transforming growth factor-beta (TGF-beta) family of secreted growth factors, is expressed during mouse embryogenesis in a pattern suggesting potential roles in a variety of inductive tissue interactions. The present study demonstrates that mice lacking BMP-7 display severe defects confined to the developing kidney and eye. Surprisingly, the early inductive tissue interactions responsible for establishing both organs appear largely unaffected. However, the absence of BMP-7 disrupts the subsequent cellular interactions required for their continued growth and development. Consequently, homozygous mutant animals exhibit renal dysplasia and anophthalmia at birth. Overall, these findings identify BMP-7 as an essential signaling molecule during mammalian kidney and eye 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.

Coordinated production and remodeling of the extracellular matrix is essential during development. It is of particular importance for skeletogenesis, as the ability of cartilage and bone to provide structural support is determined by the composition and organization of the extracellular matrix. Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2) is a secreted protein containing several domains that mediate interactions with growth factors,integrins and extracellular matrix components. A role for CTGF in extracellular matrix production is suggested by its ability to mediate collagen deposition during wound healing. CTGF also induces neovascularization in vitro, suggesting a role in angiogenesis in vivo. To test whether CTGF is required for extracellular matrix remodeling and/or angiogenesis during development, we examined the pattern of Ctgf expression and generated Ctgf-deficient mice. Ctgf is expressed in a variety of tissues in midgestation embryos, with highest levels in vascular tissues and maturing chondrocytes. We confirmed that CTGF is a crucial regulator of cartilage extracellular matrix remodeling by generating Ctgf-/- mice. Ctgf deficiency leads to skeletal dysmorphisms as a result of impaired chondrocyte proliferation and extracellular matrix composition within the hypertrophic zone. Decreased expression of specific extracellular matrix components and matrix metalloproteinases suggests that matrix remodeling within the hypertrophic zones in Ctgf mutants is defective. The mutant phenotype also revealed a role for Ctgf in growth plate angiogenesis. Hypertrophic zones of Ctgf mutant growth plates are expanded, and endochondral ossification is impaired. These defects are linked to decreased expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) in the hypertrophic zones of Ctgf mutants. These results demonstrate that CTGF is important for cell proliferation and matrix remodeling during chondrogenesis, and is a key regulator coupling extracellular matrix remodeling to angiogenesis at the growth plate.

Bone Morphogenetic Protein-4 (BMP-4) and Vgr-1 are members of the TGF-beta gene family most closely related to the Drosophila Decapentaplegic and Xenopus Vg-1 genes. Members of this gene family have been implicated in diverse processes during embryogenesis including epithelial-mesenchymal interactions. Here, we use in situ hybridization to localize BMP-4 and Vgr-1 transcripts during murine development. BMP-4 mRNA is found in a variety of tissues. In the 8.5 days p.c. embryo, transcripts are localized to the mesoderm posterior to the last somite. Later gestation embryos show expression in developing limbs, the embryonic heart, the facial processes and condensed mesenchymal cells associated with early whisker follicle formation. In the developing central nervous system (CNS), BMP-4 expression is restricted to the floor of the diencephalon associated with pituitary development. In contrast, Vgr-1 transcripts are found along the anteroposterior axis of the CNS, in cells immediately adjacent to the floor plate and in the roof plate extending to the forebrain. Together, the data support the hypothesis that polypeptide growth factors of the TGF-beta superfamily play key roles in the initial stages of neurogenesis and organogenesis during murine development.

Abstract Bone morphogenetic protein-2A (BMP-2A) is a member of the transforming growth factor β (TGF β) gene family that has been implicated in cartilage and bone formation. Here we use in situ hybridization to show that BMP-2A RNA is expressed in a variety of embryonic epithelial and mesenchymal tissues outside of the developing skeletal system, including cell populations known to play important roles in morphogenesis. Thus, high levels of transcripts are found in developing limb buds (ventral ectoderm and apical ectodermal ridge), heart (myocardium of the atrioventricular canal), whisker follicles (ectodermal placodes, hair matrix and precortex cells), tooth buds (epithelial buds, dental papilla and odontoblasts), and craniofacial mesenchyme, as well as a number of other sites. The expression patterns of BMP-2A are different from those of TGF β-1, -2 and -3, and this is illustrated in detail in the developing whisker follicles. These results suggest that BMP-2A plays multiple roles in morphogenesis and pattern formation in the vertebrate embryo.

Establishment of mesodermal tissues in the amphibian body involves a series of inductive interactions probably elicited by a variety of peptide growth factors. Results reported here suggest that mesodermal patterning involves an array of signalling molecules including DVR-4, a TGF-beta-like molecule. We show that ectopic expression of DVR-4 causes embryos to develop with an overall posterior and/or ventral character, and that DVR-4 induces ventral types of mesoderm in animal cap explants. Moreover, DVR-4 overrides the dorsalizing effects of activin. DVR-4 is therefore the first molecule reported both to induce posteroventral mesoderm and to counteract dorsalizing signals such as activin. Possible interactions between these molecules resulting in establishment of the embryonic body plan are discussed.

We have taken advantage of the sequence relationships among the bone morphogenetic proteins (BMPs) to identify the mouse Bmp15 and human BMP15 genes. The 392-amino acid prepropeptides encoded by these BMP genes exhibit significant homology to each other, although the 70% identity observed between the 125-amino acid mature peptides is considerably lower than that seen in comparisons of other mouse and human orthologs. Both genes share a common structural organization and encode mature peptides that lack the cysteine residue normally involved in the formation of a covalent dimer. In addition, mouse Bmp15 and human BMP15 map to conserved syntenic regions on the X chromosome. We demonstrate, through a combination of Northern blot and in situ hybridization analyses, that mouse Bmp15 is expressed specifically in the oocyte beginning at the one-layer primary follicle stage and continuing through ovulation. Interestingly, BMP-15 is most closely related to and shares a coincident expression pattern with the mouse growth/differentiation factor 9 (GDF-9) gene that is essential for female fertility. Our findings will be important for defining the role of BMP-15 in follicular development.

The murine Vgr-1 (Vg-related) and BMP-2a (bone morphogenetic protein 2a) genes are members of the decapentaplegic subgroup of the transforming growth factor-beta (TGF beta) superfamily. Although genetic and biochemical studies suggest that the members of this subgroup play important roles in development, little is known about their function in mammals. Therefore, we investigated the expression of Vgr-1 and BMP-2a RNAs in embryonic, newborn, and adult tissues by in situ hybridization. Vgr-1 RNA is maternally encoded in ovarian oocytes but declines in fertilized eggs and is undectable by the two- to four-cell stage. Only low levels of transcripts are seen in blastocysts and early postimplantation stages. From mid-gestation on, Vgr-1 RNA is expressed at high levels in developing skin, especially in the suprabasal cells of the proliferating epidermis but not in the dermis or hair follicles, both of which contain TGF beta 1 and/or TGF beta 2 RNAs. In contrast, BMP-2a transcripts are seen only in the hair follicles in the cells of the hair bulb cortex. Temporally and spatially distinct patterns of BMP-2a, Vgr-1, TGF beta 1, and TGF beta 2 expression are also seen in different populations of mesenchymal cells in the developing skeletal system (cartilage and bone). Our results suggest that the coordinated expression of several members of the TGF beta superfamily is required to control the progression of specific cell types through their differentiation pathways.

Members of the bone morphogenetic protein (BMP) class of transforming growth factor β (TGFβ)-related molecules have been implicated in a variety of inductive processes throughout vertebrate development. The 60A subclass of BMPs contains at least four vertebrate members, BMPs 5–8. We have shown by library screening and in situ hybridization that of these four genes, BMP 7 is expressed earliest, in gastrulating embryos. Furthermore, BMP 7 transcripts are present at diverse sites throughout development, in a pattern consistent with a role in a variety of inductive interactions. Recent studies have shown that BMP 2/7 heterodimers have unique activities compared to the corresponding homodimers. For this reason, we compared the patterns of expression of BMP 2 and BMP 7 using in situ hybridization. Our results demonstrate that these BMPs are coexpressed in a number of tissues that are known to be the source of inductive signals, including the zone of polarizing activity and apical ectodermal ridge of the developing limb and the notochord, raising the possibility that BMP 2/7 heterodimers may mediate aspects of these tissue interactions. We also show that BMP 2 transcripts are restricted within the developing gut to dorsal endoderm, whereas sonic hedgehog has been localized to ventral and medial regions of the developing gut endoderm. These markers provide the first molecular evidence for dorsal/ventral polarity in the developing gut.