In terrestrial animals, lacrimal drainage apparatus evolved to serve as conduits for tear flow. Little is known about the ontogenesis of this system. Here, we investigated tear duct origin, developmental course, genetic and cellular determinants in mouse. We report that primordial tear duct (PTD) originates from junction epithelium of the joining maxillary and lateral nasal processes, which reshapes into future tear duct branches. We identified Prickle 1 as a hallmark for tear duct outgrowth, ablation of which stalled duct elongation. In particular, the disruption of basement membrane (BM) with cytoplasmic accumulation of laminin suggests aberrant protein trafficking. Mutant embryoid bodies (EBs) derived from iPSCs recapitulate BM phenotype of the PTD exhibiting defective visceral endoderm (VE), which normally expresses high level of Prickle 1. Furthermore, replenishing mutant VE with Prickle 1 completely rescued BM but not cell polarity. Taken together, our results reveal a distinct role of Prickle 1 in regulating polarized BM secretion and deposition in precedently uncharacterized tear drainage system and VE, which is independent of apicobasal polarity establishment.

The tear drainage apparatus evolved in terrestrial animals serving as conduits for tear flow. Obstruction of tear drainage causes a range of ocular surface disorders. Hitherto, genetics of tear duct development and obstruction has been scarcely explored. Here we report that a severe Prickle 1 hypomorph mouse line exhibited epiphora. This phenotype was due to blockage of the tear drainage by the incompletely formed nasolacrimal duct (NLD) and lacrimal canaliculi (CL). Further analysis revealed that the precocious eyelid opening, previously observed in the same type of Prickle 1 mutants, is also caused by tear duct dysplasia. A comparison of wild type, the Prickle 1 hypomorph and null mutants revealed a dose-dependent requirement of Prickle 1 for tear duct outgrowth. As a key component of a set of six Wnt/PCP core proteins, Prickle 1 usually works together with other PCP components. An investigation of expression of Wnt/PCP core genes demonstrated three of the six PCP components in tear duct, supporting the notion of context-dependent organization of PCP protein complexes. Furthermore, expression of Fgfr2/Fgf10 and p63 genes, mutations of which are associated with NLD and CL hypoplasia in human, were not altered in Prickle 1 mutant mice. Lastly, we showed that Prickle 1 expression in developing tear drainage system is conserved between mouse and human despite anatomical differences. Altogether, the study uncovered how obstruction of the tear drainage could lead to a complex ocular surface disorder, which may have genetic implications in human ocular health.

Abstract Photoreceptor connecting cilium (CC) is structurally analogous to the transition zone (TZ) of primary cilia and gates the molecular trafficking between the inner and the outer segment (OS). Retinal dystrophies with underlying CC defects are manifested in a broad array of syndromic conditions known as ciliopathies as well as non-syndromic retinal degenerations. Despite extensive studies, protein trafficking across the photoreceptor CC is largely unknown. Here we genetically inactivated mouse Tmem138 , a gene encoding a ciliary membrane protein localized to the ciliary TZ and linked to Joubert syndrome (JBTS). Germline deletion of Tmem138 abolished OS morphogenesis followed by rapid photoreceptor degeneration. Tmem138 was found localized to the photoreceptor CC and, accordingly, the molecular compartments of the CC and axoneme of the mutant photoreceptors were altered despite ciliogenesis proceeding normally at the early stage of photoreceptor development. To gain further insights into Tmem138 function in OS biogenesis, we focused on trafficking of rhodopsin, the most abundant protein of the OS. Mislocalization of rhodopsin was readily observed as early as P5 in the mutant photoreceptors prior to growth of the OS. Ablation of Tmem138 in mature rods recapitulated the molecular changes in the germline mutants, causing well-formed outer segment discs to disintegrate accompanied by mislocalization of rhodopsin in the cell body. Furthermore, Tmem138 interacted with rhodopsin, and two additional CC compartment proteins Ahi1 and Tmem231, which were both altered in the mutant photoreceptors. Taken together, these results suggest that Tmem138 has a distinct role in gating the transport of rhodopsin and likely other OS bound proteins through formation of CC transport complex(es).