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.

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.

BACKGROUND AND AIMS: Alagille syndrome, like several other liver diseases, is characterized by malformation of lumenized structures, such as the circulatory or biliary systems. Liver architecture has typically been studied through 2D sections and, more recently, using thick tissue sections combined with immunofluorescence. We aimed to develop a robust method to image, digitalize and quantify 3D architecture of the biliary and vascular systems in tandem. METHODS: The biliary and portal vein trees of the mouse liver were injected with Microfil resin, followed by microCT scanning. Tomographic data was segmented and analyzed using a MATLAB script we wrote to investigate length, volume, tortuosity, branching, and the relation between the vascular and biliary systems. Double resin casting micro computed tomography (DUCT) was applied to a mouse model for Alagille syndrome ( Jag1Ndr/Ndr mice), in which the biliary system is absent at postnatal stages, but regenerates by adulthood. Phenotypes discovered using DUCT were validated with cumbersome consecutive liver sections from mouse and human liver including patients with Alagille syndrome. RESULTS: DUCT revealed tortuous bile ducts either placed further from portal veins, or ectopically traversing the parenchyma and connecting two portal areas, in Jag1Ndr/Ndr mice. Furthermore, bile ducts either ended abruptly, or branched independently of portal vein branching, with bifurcations placed hilar or peripheral to portal vein branches. The branching defects, parenchymal bile ducts, and blunt endings were confirmed in patient samples. CONCLUSION: DUCT is a powerful technique, which provides computerized 3D reconstruction of casted networks. It exposes and quantifies previously unknown vascular and biliary phenotypes in mouse models, revealing new phenotypes in patients.

Abstract Spontaneous lethal bleeds are major cause of death in the pediatric liver disease Alagille syndrome (ALGS), yet risk factors and screening methods have not been established. We performed a systematic review and identified significantly more female than male patients with idiopathic intracranial hemorrhage (10:1). We investigated bleeding and vasculature in patients and a mouse model for ALGS ( Jag1 Ndr/Ndr mice) and asked whether phenotypes identified in mice could be detected in patients non-invasively. Jag1 Ndr/Ndr mice bled spontaneously, exhibiting a thin skull and vascular defects including artery-vein crossings, tortuous vessels, capillary breakdown and CADASIL-like sparse vascular smooth muscle cell coverage which was aggravated by hypertension. Retinographs from patients confirmed tortuous blood vessels and artery-vein crossings in ALGS. In conclusion, Jag1 Ndr/Ndr mice could be used to develop interventions for vascular defects in ALGS, and retinography could provide a non-invasive method for vascular analysis in these pediatric patients.