Abstract Positional information driving limb muscle patterning is contained in lateral plate mesoderm-derived tissues, such as tendon or muscle connective tissue but not in myogenic cells themselves. The long-standing consensus is that myogenic cells originate from the somitic mesoderm, while connective tissue fibroblasts originate from the lateral plate mesoderm. We challenged this model using cell and genetic lineage tracing experiments in birds and mice, respectively, and identified a subpopulation of myogenic cells at the muscle tips close to tendons originating from the lateral plate mesoderm and derived from connective tissue gene lineages. Analysis of single-cell RNA-sequencing data obtained from limb cells at successive developmental stages revealed a subpopulation of cells displaying a dual muscle and connective tissue signature, in addition to independent muscle and connective tissue populations. Active BMP signalling was detected in this junctional cell sub-population and at the tendon/muscle interface in developing limbs. BMP gain- and loss-of-function experiments performed in vivo and in vitro showed that this signalling pathway regulated a fibroblast-to-myoblast conversion. We propose that localised BMP signalling converts a subset of lateral plate mesoderm-derived fibroblasts to a myogenic fate and establishes a boundary of fibroblast-derived myonuclei at the muscle/tendon interface to control the muscle pattern during limb development.

ABSTRACT How distinct cell fates are manifested by direct lineage ancestry from bipotent progenitors, or by specification of individual cell types within a field of cells is a key question for understanding the emergence of tissues. The interplay between skeletal muscle progenitors and associated connective tissues cells provides a model for examining how muscle functional units are established. Most craniofacial structures originate from the vertebrate-specific neural crest cells except in the dorsal portion of the head, where they arise from cranial mesoderm. Here, using multiple lineage-traced single cell RNAseq, advanced computational methods and in situ analyses, we identify Myf5 + bipotent progenitors that give rise to both muscle and juxtaposed connective tissue. Following this bifurcation, muscle and connective tissue cells retain complementary signalling features and maintain spatial proximity. Interruption of upstream myogenic identity shifts muscle progenitors to a connective tissue fate. Interestingly, Myf5-derived connective tissue cells, which adopt a novel regulatory signature, were not observed in ventral craniofacial structures that are colonised by neural crest cells. Therefore, we propose that an ancestral program gives rise to bifated muscle and connective tissue cells in skeletal muscles that are deprived of neural crest.

SUMMARY In most vertebrates, the upper digestive tract is composed of muscularised jaws linked to the esophagus that permit food uptake and swallowing. Masticatory and esophagus striated muscles (ESM) share a common cardiopharyngeal mesoderm (CPM) origin, however ESM are unusual among striated muscles as they are established in the absence of a primary skeletal muscle scaffold. Using mouse chimeras, we show that the transcription factors Tbx1 and Isl1 are required cell-autonomously for myogenic specification of ESM progenitors. Further, genetic loss-of-function and pharmacological studies point to Met/HGF signalling for antero-posterior migration of esophagus muscle progenitors, where HGF ligand is expressed in adjacent smooth muscle cells. These observations highlight the functional relevance of a smooth and striated muscle progenitor dialogue for ESM patterning. Our findings establish a Tbx1-Isl1-Met genetic hierarchy that uniquely regulate esophagus myogenesis and identify distinct genetic signatures that can be used as a framework to interpret pathologies arising within CPM derivatives.

Background: Myogenin is a transcription factor that is expressed during terminal myoblast differentiation in embryonic development and adult muscle regeneration. Investigation of this cell state transition has been hampered by the lack of a sensitive reporter to dynamically track cells during differentiation. Results: Here, we report a knock-in mouse line expressing the tdTOMATO fluorescent protein from the endogenous Myogenin locus. Expression of tdTOMATO in MyogntdTom mice recapitulated endogenous Myogenin expression during embryonic muscle formation and adult regeneration and enabled the isolation of the Myogenin+ cell population. We also show that tdTOMATO fluorescence allows tracking of differentiating myoblasts in vitro and by intravital imaging in vivo. Lastly, we monitored by live imaging the cell division dynamics of differentiating myoblasts in vitro and showed that a fraction of the MYOGENIN+ population can undergo one round of cell division, albeit at a much lower frequency than MYOGENIN- myoblasts. Conclusions: We expect that this reporter mouse will be a valuable resource for researchers investigating skeletal muscle biology in developmental and adult contexts.

ABSTRACT Adult skeletal muscles are maintained during homeostasis and regenerated upon injury by muscle stem cells (MuSCs). A heterogeneity in self-renewal, differentiation and regeneration properties has been reported for MuSCs based on their anatomical location. Although MuSCs derived from extraocular muscles (EOM) have a higher regenerative capacity than those derived from limb muscles, the molecular determinants that govern these differences remain undefined. Here we show that EOM and limb MuSCs have distinct DNA methylation signatures associated with enhancers of location-specific genes, and that the EOM transcriptome is reprogrammed following transplantation into a limb muscle environment. Notably, EOM MuSCs expressed host-site specific positional Hox codes after engraftment and self-renewal within the host muscle. However, about 10% of EOM-specific genes showed engraftment-resistant expression, pointing to cell-intrinsic molecular determinants of the higher engraftment potential of EOM MuSCs. Our results underscore the molecular diversity of distinct MuSC populations and molecularly define their plasticity in response to microenvironmental cues. These findings provide insights into strategies designed to improve the functional capacity of MuSCs in the context of regenerative medicine.

Gene regulatory networks that act upstream of skeletal muscle fate determinants are distinct in different anatomical locations. Despite recent efforts, a clear understanding of the cascade of events underlying the emergence and maintenance of the stem cell pool in specific muscle groups remains unresolved and debated. Here, we invalidated Pitx2 with multiple Cre -driver mice prenatally, postnatally, and during lineage progression. We showed that this gene becomes progressively dispensable for specification and maintenance of the muscle stem (MuSC) cell pool in extraocular muscles (EOMs) despite being, together with Myf5, a major upstream regulator during early development. Moreover, constitutive inactivation of Pax7 postnatally led to a greater loss of MuSCs in the EOMs compared to the limb. Thus, we propose a relay between Pitx2 , Myf5 and Pax7 for EOM stem cell maintenance. We demonstrate also that MuSCs in the EOMs adopt a quiescent state earlier that those in limb muscles and do not spontaneously proliferate in the adult, yet EOMs have a significantly higher content of Pax7+ MuSCs per area pre- and post-natally. Finally, while limb MuSCs proliferate in the mdx mouse model for Duchenne muscular dystrophy, significantly less MuSCs were present in the EOMs of the mdx mouse model compared to controls, and they were not proliferative. Overall, our study provides a comprehensive in vivo characterisation of MuSC heterogeneity along the body axis and brings further insights into the unusual sparing of EOMs during muscular dystrophy.

Coordinated development of muscles, tendons, and their attachment sites ensures emergence of functional musculoskeletal units that are adapted to diverse anatomical demands among different species. How these different tissues are patterned and functionally assembled during embryogenesis is poorly understood. Here, we investigated the morphogenesis of extraocular muscles (EOMs), an evolutionary conserved cranial muscle group that is crucial for the coordinated movement of the eyeballs and for visual acuity. By means of lineage analysis, we redefined the cellular origins of periocular connective tissues interacting with the EOMs, which do not arise exclusively from neural crest mesenchyme as previously thought. Using 3D imaging approaches, we established an integrative blueprint for the EOM functional unit. By doing so, we identified a developmental time window where individual EOMs emerge from a unique muscle anlage and establish insertions in the sclera, which sets these muscles apart from classical muscle-to-bone type of insertions. Further, we demonstrate that the eyeballs are a source of diffusible retinoic acid that allow their targeting by the EOMs in a temporal and dose dependent manner. Using genetically modified mice and inhibitor treatments, we find that endogenous local variations in the concentration of retinoids contribute to the establishment of tendon condensations and attachment sites that precede the initiation of muscle patterning. Collectively, our results highlight how global and site-specific programs are deployed for the assembly of muscle functional units with precise definition of muscle shapes and topographical wiring of their tendon attachments.

The establishment of separated pulmonary and systemic circulations in vertebrates, via the cardiac outflow tract (OFT) septation, stands as a sensitive developmental process accounting for 10% of all congenital anomalies. It relies on the Neural Crest Cells (NCC) colonization of the heart, whose condensation along the endocardial wall forces its scission into two tubes. Here, we show that NCC aggregation starts more pronounced at distal OFT areas than at proximal sites. This spatial organisation correlates with a decreasing distal-proximal gradient of BMP signalling. Dullard, a nuclear phosphatase, sets the BMP gradient amplitude and prevents NCC premature condensation. Dullard is required for maintaining transcriptional programmes providing NCC with mesenchymal traits. It attenuates the adhesive cue Sema3c levels and conversely promotes the epithelial-mesenchymal transition driver Twist1 expression. Altogether, Dullard mediated fine-tuning of BMP signalling ensures the timed and progressive condensation of NCC and rules a zipper-like closure of the OFT.

Abstract The muscle stem cell (MuSC) population is recognized as functionally heterogeneous. Cranial muscle stem cells, which originate from head mesoderm, can have greater proliferative capacity in culture and higher regenerative potential in transplantation assays when compared to those in the limb. The existence of such functional differences in phenotypic outputs remain unresolved as a comprehensive understanding of the underlying mechanisms is lacking. We addressed this issue using a combination of clonal analysis, live imaging, and scRNA-seq, identifying critical biological features that distinguish extraocular (EOM) and limb (Tibialis anterior, TA) MuSC populations. Time-lapse studies using a Myogenin tdTomato reporter showed that the increased proliferation capacity of EOM MuSCs is accompanied by a differentiation delay in vitro . Unexpectedly, in vitro activated EOM MuSCs expressed a large array of distinct extracellular matrix (ECM) components, growth factors, and signaling molecules that are typically associated with mesenchymal non-muscle cells. These unique features are regulated by a specific set of transcription factors that constitute a coregulating module. This transcription factor network, which includes Foxc1 as one of the major players, appears to be hardwired to EOM identity as it is present in quiescent adult MuSCs, in the activated counterparts during growth and retained upon passages in vitro. These findings provide insights into how high-performing MuSCs regulate myogenic commitment by active remodeling of their local environment.

ABSTRACT Gene regulatory networks that act upstream of skeletal muscle fate determinants are distinct in different anatomical locations. Despite recent efforts, a clear understanding of the cascade of events underlying the emergence and maintenance of the stem cell pool in specific muscle groups remains unresolved and debated. Here, we invalidated Pitx2 with multiple Cre -driver mice prenatally, postnatally, and during lineage progression and showed that this gene becomes progressively dispensable for specification and maintenance of the extraocular muscle (EOM) stem cell pool, yet it is the major EOM upstream regulator during early development. Moreover, constitutive inactivation of Pax7 postnatally showed a greater loss of muscle stem cells in the EOM compared to the limb, pointing to a relay between Pitx2 , Myf5 and Pax7 for maintenance of the EOM stem cells. Further, we demonstrate that EOM stem cells adopt a quiescent state earlier that those in limb muscles and do not spontaneously re-enter in proliferation in the adult as previously suggested, yet EOMs have a significantly higher content of Pax7+ muscle stem cells per area pre- and post-natally. This unique feature could result from different dynamics of lineage progression in vivo , given the lower fraction of committed and differentiating EOM myoblasts. Finally, significantly less MuSCs are present in EOM compared to the limb in the mdx mouse model for Duchenne muscular dystrophy. Overall, our study provides a comprehensive in vivo characterization of muscle stem cell heterogeneity along the body axis and brings further insights into the unusual sparing of EOM during muscular dystrophy.