ABSTRACT In vertebrates, head and trunk muscles develop from different mesodermal populations and are regulated by distinct genetic networks. Neck muscles at the head-trunk interface remain poorly defined due to their complex morphogenesis and dual mesodermal origins. Here, we use genetically modified mice to establish a 3D model that integrates regulatory genes, cell populations and morphogenetic events that define this transition zone. We show that the evolutionary conserved cucullaris-derived muscles originate from posterior cardiopharyngeal mesoderm, not lateral plate mesoderm, and we define new boundaries for neural crest and mesodermal contributions to neck connective tissue. Furthermore, lineage studies and functional analysis of Tbx1- and Pax3 -null mice reveal a unique genetic program for somitic neck muscles that is distinct from that of somitic trunk muscles. Our findings unveil the embryological and developmental requirements underlying tetrapod neck myogenesis and provide a blueprint to investigate how muscle subsets are selectively affected in some human myopathies.

ABSTRACT Brown adipocytes represent a specialized type of mammalian adipocytes able to uncouple nutrient catabolism from ATP generation to dissipate energy as heat. They play an important role in mammals, allowing non-shivering thermogenesis to regulate body temperature in response to cold exposure. In humans, the brown fat tissue is composed of small discrete depots found mostly throughout the neck and trunk region. Increasing brown fat activity either with drug treatment or cell therapy is considered a potential approach for the treatment of metabolic syndrome and obesity. The recent development of in vitro differentiation strategies relying on human pluripotent stem cells (hPSCs) offers the possibility to produce unlimited amounts of brown adipocytes. A strategy efficiently applied to several tissues is to recapitulate step by step the development of the tissue of interest by exposing hPSCs to the signaling cues used during normal embryonic development. However, this strategy has proven difficult to implement for brown fat as the development of this tissue is poorly understood. Here, we first used single cell RNA sequencing to characterize the development of interscapular brown fat in mouse. Our analysis identified a previously unrecognized population of brown adipocytes precursors characterized by expression of the transcription factor GATA6. We show that this precursor population can be efficiently generated from paraxial mesoderm precursors differentiated in vitro from hPSCs by modulating the signaling pathways identified in our transcriptomic analysis. These precursors can in turn be efficiently converted into functional brown adipocytes which can respond to adrenergic stimuli by increasing their metabolism resulting in heat production.

The diaphragm is a mammalian skeletal muscle essential for respiration and for separating the thoracic and abdominal cavities. Development of the diaphragm requires the coordinated development of muscle, muscle connective tissue, tendon, nerves, and vasculature that derive from different embryonic sources. However, defects in diaphragm development are common and the cause of an often deadly birth defect, Congenital Diaphragmatic Hernia (CDH). Here we comprehensively describe the normal developmental origin and complex spatial-temporal relationship between the different developing tissues to form a functional diaphragm using a developmental series of mouse embryos genetically and immunofluorescently labeled and analyzed in whole mount. We find that the earliest developmental events are the emigration of muscle progenitors from cervical somites followed by the projection of phrenic nerve axons from the cervical neural tube. Muscle progenitors and phrenic nerve target the pleuroperitoneal folds (PPFs), transient pyramidal-shaped structures that form between the thoracic and abdominal cavities. Subsequently, the PPFs expand across the surface of the liver to give rise to the muscle connective tissue and central tendon, and the leading edge of their expansion precedes muscle morphogenesis, formation of the vascular network, and outgrowth and branching of the phrenic nerve. Thus development and morphogenesis of the PPFs are critical for diaphragm formation. In addition, our data indicate that the earliest events in diaphragm development are critical for the etiology of CDH and instrumental to the evolution of the diaphragm. CDH initiates prior to E12.5 in mouse and suggests that defects in the early PPF formation or their ability to recruit muscle are an important source of CDH. Also, the recruitment of muscle progenitors from cervical somites to the nascent PPFs is uniquely mammalian and a key developmental innovation essential for the evolution of the muscularized diaphragm.

The mammalian muscularized diaphragm is essential for respiration and defects in the developing diaphragm cause a common and frequently lethal birth defect, congenital diaphragmatic hernia (CDH). Human genetic studies have implicated more than 150 genes and multiple molecular pathways in CDH, but few of these have been validated because of the expense and time to generate mouse mutants. The pleuroperitoneal folds (PPFs) are transient embryonic structures in diaphragm development and a critical cellular source of CDH. We have developed a system to culture PPF fibroblasts from E12.5 mouse embryos and show that these fibroblasts, in contrast to the commonly used NIH 3T3 fibroblasts, maintain expression of key genes in normal diaphragm development. Using pharmacological and genetic manipulations that result in CDH in vivo, we also demonstrate that differences in proliferation provide a rapid means of distinguishing healthy and impaired PPF fibroblasts. Thus, the PPF fibroblast cell culture system is an efficient tool for testing the functional significance of CDH candidate genes and molecular pathways and will be an important resource for elucidating the complex etiology of CDH.

Abstract The diaphragm is a domed muscle between the thorax and abdomen essential for breathing in mammals. Diaphragm development requires the coordinated development of muscle, connective tissue, and nerve, which are derived from different embryonic sources. Defects in diaphragm development cause the common and often lethal birth defect, Congenital Diaphragmatic Hernias (CDH). HGF/MET signaling is required for diaphragm muscularization, but the source of HGF and the specific functions of this pathway in muscle progenitors or potentially the phrenic nerve have not been explicitly tested. Using conditional mutagenesis and pharmacological inhibition of MET, we demonstrate that the pleuroperitoneal folds (PPFs), transient embryonic structures that give rise to the connective tissue, are the source of HGF critical for diaphragm muscularization and phrenic nerve primary branching. HGF not only is required for recruitment of muscle progenitors to the diaphragm, but is continuously required for maintenance and motility of the pool of progenitors to enable full muscularization. Thus, the connective tissue fibroblasts and HGF coordinately regulate diaphragm muscularization and innervation. Defects in PPF-derived HGF result in muscleless regions that are susceptible to CDH. Summary Statement Fibroblast-derived HGF signals to Met+ muscle progenitors and nerve to control the expansion of diaphragm muscle and primary branching of phrenic nerve axons - structures critical for breathing in mammals.