The optic fissure is a gap in the developing vertebrate eye and must be closed as development proceeds. A persisting optic fissure is referred to as coloboma, a major cause for blindness in children. Multiple factors have been linked to coloboma formation, however, the actual process of fissure closure is only poorly understood. Based on our findings we propose an important role of TGFb signaling for optic fissure closure. We show active TGFb signaling in the fissure margins, analyzed by a new TGFb signaling reporter zebrafish. We found BMP antagonists regulated by TGFb. These antagonists we also found expressed in the fissure margins. Finally we show a coloboma phenotype in a TGFb KO mouse. Microarray data analysis indicates intense TGFb dependent remodeling of the extracellular matrix (ECM) during optic fissure closure. We propose that TGFb is driving optic fissure closure by ECM remodeling. As previously shown, inhibition of BMP signaling is important for such TGFb dependent ECM remodeling. We show that this is achieved by the regulation of BMP antagonists, expressed in the optic fissure margins.

The optic fissure is a transient gap in the developing vertebrate eye, which must be closed as development proceeds. A persisting optic fissure, coloboma, is a major cause for blindness in children. Multiple factors are genetically linked to coloboma formation. However, especially the process of optic fissure fusion is still largely elusive on a cellular and molecular basis. We found a coloboma phenotype in mice with a targeted inactivation of the transforming growth factor(beta) 2 (TGF(beta)2). Here the optic fissure margins got in touch, however, failed to fuse. Transcriptomic analyses indicated TGF(beta) mediated ECM remodeling during optic fissure fusion. For functional analyses, we switched model systems and made use of zebrafish. We found TGF(beta) ligands expressed in the developing zebrafish eye, and the ligand binding receptor in the optic fissure. Using a new in vivo TGF(beta) signaling reporter, we also found active TGF(beta) signaling in the margins of the optic fissure. We addressed the function of Cadherin 6 (cdh6), one of the TGF(beta) regulated genes, by knock down experiments in zebrafish and found a prominent coloboma phenotype. Cdh6 was often found involved in processes of epithelial to mesenchymal transition (EMT), strengthening our hypothesis that an EMT-like process is also necessary for optic fissure fusion. Furthermore, we found Gremlin 2b (grem2b) and Follistatin a (fsta), homologs of TGF regulated bone morphogenetic protein (BMP) antagonists, expressed in the optic fissure margins, indicating the necessity of a localized inhibition of BMP signaling. Finally, we show that induced BMP expression is sufficient to inhibit optic fissure fusion. Together with our previous findings this indicates a dual role of BMP signaling during optic fissure closure.

The optic fissure is a transient gap in the developing optic cup of vertebrates. Persisting optic fissures, coloboma, are a frequent reason for blindness in children. Although many genes have been linked to coloboma, it has remained unclear how the two bi-layered epithelia comprising the optic fissure margins are fusing to form a continuous neuroretina and retinal pigmented epithelium (RPE) respectively. Besides, highly variable morphologies of coloboma phenotypes strongly argue for a diverse set of underlying pathomechanisms. Here we investigated the contribution of the individual cell types with 4D in vivo time-lapse analyses using zebrafish (Danio rerio). This allowed defining the respective roles of the participating tissues and cell populations and their activities during fissure morphogenesis, contact formation between the margins as well as during fusion. We show that optic fissure closure is initiated by a bilateral tissue flow partially in continuation of the dynamic optic cup morphogenesis but additionally including a tissue flow from the optic stalk. This process is followed by the setup of specific fissure margins by a distinct cell population translocating from of the optic stalk. The morphological fusion is triggered by in an EMT-like disassembly of the fissure margin driven by bi-potential pioneer cells that ultimately take the fate of both, neuroretina and RPE respectively. The consecutive fusion and re-epithelialization transforms the two initially separated epithelial bilayers into the two continuous layers of neuroretina and RPE. The processes described here in detail represents a fundamental mechanism of the seamless connection of adjacent multilayered epithelia and is highly reminiscent of other fusion processes, like palatal shelf fusion with key relevance for development and growth.