Congenital central hypoventilation syndrome (CCHS or Ondine's curse; OMIM 209880) is a life-threatening disorder involving an impaired ventilatory response to hypercarbia and hypoxemia. This core phenotype is associated with lower-penetrance anomalies of the autonomic nervous system (ANS) including Hirschsprung disease and tumors of neural-crest derivatives such as ganglioneuromas and neuroblastomas. In mice, the development of ANS reflex circuits is dependent on the paired-like homeobox gene Phox2b. Thus, we regarded its human ortholog, PHOX2B, as a candidate gene in CCHS. We found heterozygous de novo mutations in PHOX2B in 18 of 29 individuals with CCHS. Most mutations consisted of 5-9 alanine expansions within a 20-residue polyalanine tract probably resulting from non-homologous recombination. We show that PHOX2B is expressed in both the central and the peripheral ANS during human embryonic development. Our data support an essential role of PHOX2B in the normal patterning of the autonomous ventilation system and, more generally, of the ANS in humans.

ABSTRACT Most connective tissues in the head develop from neural crest cells (NCCs), an embryonic cell population present only in vertebrates. We show that NCC-derived pericytes and smooth muscle cells are distributed in a sharply circumscribed sector of the vasculature of the avian embryo. As NCCs detach from the neural folds that correspond to the future posterior diencephalon, mesencephalon and rhombencephalon, they migrate between the ectoderm and the neuroepithelium into the anterior/ventral head, encountering mesoderm-derived endothelial precursors. Together, these two cell populations build a vascular tree rooted at the departure of the aorta from the heart and ramified into the capillary plexi that irrigate the forebrain meninges, retinal choroids and all facial structures, before returning to the heart. NCCs ensheath each aortic arch-derived vessel, providing every component except the endothelial cells. Within the meninges, capillaries with pericytes of diencephalic and mesencephalic neural fold origin supply the forebrain, while capillaries with pericytes of mesodermal origin supply the rest of the central nervous system, in a mutually exclusive manner. The two types of head vasculature contact at a few defined points, including the anastomotic vessels of the circle of Willis, immediately ventral to the forebrain/midbrain boundary. Over the course of evolution, the vertebrate subphylum may have exploited the exceptionally broad range of developmental potentialities and the plasticity of NCCs in head remodelling that resulted in the growth of the forebrain.

FTO is a nuclear protein belonging to the AlkB-related non-haem iron- and 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase family. Although polymorphisms within the first intron of the FTO gene have been associated with obesity, the physiological role of FTO remains unknown. Here we show that a R316Q mutation, inactivating FTO enzymatic activity, is responsible for an autosomal-recessive lethal syndrome. Cultured skin fibroblasts from affected subjects showed impaired proliferation and accelerated senescence. These findings indicate that FTO is essential for normal development of the central nervous and cardiovascular systems in human and establish that a mutation in a human member of the AlkB-related dioxygenase family results in a severe polymalformation syndrome.

Isabelle Janoueix-Lerosey, Valentina Boeva and colleagues analyze the super-enhancer landscape of 25 neuroblastoma cell lines to define core regulatory circuits controlling gene expression programs. They find and functionally characterize two types of cell identity that contribute to the tumor heterogeneity of neuroblastoma. Neuroblastoma is a tumor of the peripheral sympathetic nervous system1, derived from multipotent neural crest cells (NCCs). To define core regulatory circuitries (CRCs) controlling the gene expression program of neuroblastoma, we established and analyzed the neuroblastoma super-enhancer landscape. We discovered three types of identity in neuroblastoma cell lines: a sympathetic noradrenergic identity, defined by a CRC module including the PHOX2B, HAND2 and GATA3 transcription factors (TFs); an NCC-like identity, driven by a CRC module containing AP-1 TFs; and a mixed type, further deconvoluted at the single-cell level. Treatment of the mixed type with chemotherapeutic agents resulted in enrichment of NCC-like cells. The noradrenergic module was validated by ChIP-seq. Functional studies demonstrated dependency of neuroblastoma with noradrenergic identity on PHOX2B, evocative of lineage addiction. Most neuroblastoma primary tumors express TFs from the noradrenergic and NCC-like modules. Our data demonstrate a previously unknown aspect of tumor heterogeneity relevant for neuroblastoma treatment strategies.

ABSTRACT Most human cancers demonstrate activated MAPK/ERK pathway signaling as a key tumor initiation step, but the immediate steps of further oncogenic progression are poorly understood due to a lack of appropriate models. Spinal cord differentiation follows caudal elongation in vertebrate embryos; both processes are regulated by a FGF8 gradient highest in neuromesodermal progenitors (NMP), where kinase effectors ERK1/2 maintain an undifferentiated state. FGF8/ERK signal attenuation is necessary for NMPs to progress to differentiation. We show that sustained ERK1/2 activity, using a constitutively active form of the kinase MEK1 (MEK1ca) in the chicken embryo, reproducibly provokes neopasia in the developing spinal cord. Transcriptomic data show that neoplasia not only relies on the maintenance of NMP gene expression, and the inhibition of genes expressed in the differentiating spinal cord, but also on a profound change in the transcriptional signature of the spinal cord cells leading to a complete loss of cell-type identity. MEK1ca expression in the developing spinal cord of the chicken embryo is therefore a tractable in vivo model to identify the critical factors fostering malignancy in ERK-induced tumorigenesis.

Abstract Background Deficient Anterior pituitary with common Variable Immune Deficiency (DAVID) syndrome is a rare condition characterized by the association of adrenocorticotropic hormone deficiency (ACTHD) and primary hypogammaglobulinemia, caused by NFKB2 heterozygous mutations. Nuclear factor kappa B (NFKB) signaling is a key regulator of the immune system; however, the underlying mechanism of its association with endocrine symptoms remains unknown. Two main hypotheses explain the effects of mutant NFKB2 on the pituitary gland: an autoimmune hypophysitis, preferentially affecting corticotroph function, or a primary developmental defect. The role of NFKB2 in the development of the human pituitary was called into question by Nfkb2 -deficient Lym1 mice, which have normal pituitary functions. Purpose The aim of this study was to create a human disease model to define the role of NFKB2 in human pituitary development. Methods We established pituitary organoids in three dimensions (3D) culture after directed differentiation from CRISPR/Cas9-edited human induced pluripotent stem cells (hiPSC). First, we conducted a proof-of-concept study, introducing a homozygous TBX19 K 146 R/K 146 R missense pathogenic variant in hiPSC, an allele found in patients with congenital isolated ACTHD. Then, we used the same method to produce NFKB2 D 865 G/D 865 G mutant organoids, harboring the pathogenic missense variant previously identified in DAVID patients. This mutation causes a failure of NFKB2 p100 phosphorylation that blocks processing to form active NFKB2 p52. We then characterized pituitary organoid development by transcriptomics using bulk RNA sequencing and quantitative RT-PCR, and by immunofluorescence in section and whole-mount. Results Analysis of wild-type (WT) organoids demonstrated that this in vitro model recapitulates corticotroph cell differentiation. TBX19 K 146 R/K 146 R organoids conserved early expression of HESX1 , but had significantly decreased PITX1 , TBX19 , LHX3, and POMC transcription . NFKB2 D 865 G/D 865 G organoids also had dramatically reduced corticotrophs. Furthermore, NFKB2 D 865 G/D 865 G perturbs the normal expression of 66 genes known to contribute to pituitary development, among which 21 transcription factors. Conclusions We used a combination of CRISPR/Cas9 editing and refinement of a 3D organoid culture protocol to model human ACTHD due to TBX19 or NFKB2 mutations. The NFKB2 variant studied induced a significant decrease in corticotroph differentiation, demonstrating for the first time a direct functional role of NFKB2 in human pituitary development. Signaling through NFKB2 is thus a valid new candidate pathway in the pathogenesis of isolated or syndromic ACTHD.

Deficient Anterior pituitary with common Variable Immune Deficiency (DAVID) syndrome results from NFKB2 heterozygous mutations, causing adrenocorticotropic hormone deficiency (ACTHD) and primary hypogammaglobulinemia. While NFKB signaling plays a crucial role in the immune system, its connection to endocrine symptoms is unclear. We established a human disease model to investigate the role of NFKB2 in pituitary development by creating pituitary organoids from CRISPR/Cas9-edited human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Introducing homozygous TBX19 K146R/K146R missense pathogenic variant in hiPSC, an allele found in congenital isolated ACTHD, led to a strong reduction of corticotrophs number in pituitary organoids. Then, we characterized the development of organoids harboring NFKB2 D865G/D865G mutations found in DAVID patients. NFKB2 D865G/D865G mutation acted at different levels of development with mutant organoids displaying changes in the expression of genes involved on pituitary progenitor generation ( HESX1 , PITX1 , LHX3 ), hypothalamic secreted factors ( BMP4, FGF8, FGF10 ), epithelial-to-mesenchymal transition, lineage precursors development ( TBX19 , POU1F1 ) and corticotrophs terminal differentiation ( PCSK1, POMC ), and showed drastic reduction in the number of corticotrophs. Our results provide strong evidence for the direct role of NFKB2 mutations in the endocrine phenotype observed in patients leading to a new classification of a NFKB2 variant of previously unknown clinical significance as pathogenic in pituitary development.

Background: MC1R, a G-protein coupled receptor with high affinity for alpha-melanocyte stimulating hormone (αMSH), modulates pigment production in melanocytes from many species and is associated with human melanoma risk. MC1R mutations affecting human skin and hair color also have pleiotropic effects on the immune response and analgesia. Variants affecting human pigmentation in utero alter the congenital phenotype of both oculocutaneous albinism and congenital melanocytic naevi, and have a possible effect on birthweight. Methods and Results: By in situ hybridization, RT-PCR and immunohistochemistry, we show that MC1R is widely expressed during human, chick and mouse embryonic and fetal stages in many somatic tissues, particularly in the musculoskeletal and nervous systems, and conserved across evolution in these three amniotes. Its dynamic pattern differs from that of TUBB3, a gene overlapping the same locus in humans and encoding class III β-tubulin. The αMSH peptide and the transcript for its precursor, pro-opiomelanocortin (POMC), are similarly present in numerous extra-cutaneous tissues. MC1R genotyping of variants p.(V60M) and p.(R151C) was undertaken for 867 healthy children from the Avon Longitudinal Study of Parent and Children (ALSPAC) cohort, and birthweight modelled using multiple logistic regression analysis. A significant positive association initially found between R151C and birth weight, independent of known birth weight modifiers, was not reproduced when combined with data from an independent genome-wide association study of 6,459 additional members of the same cohort. Conclusions: These data clearly show a new and hitherto unsuspected role for MC1R in non-cutaneous solid tissues before birth.

SUMMARY Congenital melanocytic nevi (CMN) and common acquired melanocytic nevi (AMN) are melanoma-predisposing skin conditions presenting excessive numbers of melanocytes but arising at different times in life. Appropriately weighted whole-genome methylation analysis can be used as a basis for further research in dermatopathology and as applied here provides new insights into nevus biology.