Although it is generally accepted that cellular differentiation requires changes to transcriptional networks, dynamic regulation of promoters and enhancers at specific sets of genes has not been previously studied en masse. Exploiting the fact that active promoters and enhancers are transcribed, we simultaneously measured their activity in 19 human and 14 mouse time courses covering a wide range of cell types and biological stimuli. Enhancer RNAs, then messenger RNAs encoding transcription factors, dominated the earliest responses. Binding sites for key lineage transcription factors were simultaneously overrepresented in enhancers and promoters active in each cellular system. Our data support a highly generalizable model in which enhancer transcription is the earliest event in successive waves of transcriptional change during cellular differentiation or activation.

Previous studies have demonstrated the ability of bone morphogenetic proteins (BMPs) to promote chondrogenic differentiation in vitro . However, the in vivo role of BMP signaling during chondrogenesis has been unclear. We report here that BMP signaling is essential for multiple aspects of early chondrogenesis. Whereas mice deficient in type 1 receptors Bmpr1a or Bmpr1b in cartilage are able to form intact cartilaginous elements, double mutants develop a severe generalized chondrodysplasia. The majority of skeletal elements that form through endochondral ossification are absent, and the ones that form are rudimentary. The few cartilage condensations that form in double mutants are delayed in the prechondrocytic state and never form an organized growth plate. The reduced size of mutant condensations results from increased apoptosis and decreased proliferation. Moreover, the expression of cartilage-specific extracellular matrix proteins is severely reduced in mutant elements. We demonstrate that this defect in chondrocytic differentiation can be attributed to lack of Sox9 , L-Sox5 , and Sox6 expression in precartilaginous condensations in double mutants. In summary, our study demonstrates that BMPR1A and BMPR1B are functionally redundant during early chondrogenesis and that BMP signaling is required for chondrocyte proliferation, survival, and differentiation in vivo .

During the last decade brain organoids have emerged as an attractive model system, allowing stem cells to be differentiated into complex 3D models, recapitulating many aspects of human brain development. Whilst many studies have analysed anatomical and cytoarchitectural characteristics of organoids, their functional characterisation has been limited, and highly variable between studies. Standardised, consistent methods for recording functional activity are critical to providing a functional understanding of neuronal networks at the synaptic and network level that can yield useful information about functional network phenotypes in disease and healthy states. In this study we outline a detailed methodology for calcium imaging and Multi-Electrode Array (MEA) recordings in brain organoids. To illustrate the utility of these functional interrogation techniques in uncovering induced differences in neural network activity we applied various stimulating media protocols. We demonstrate overlapping information from the two modalities, with comparable numbers of active cells in the four treatment groups and an increase in synchronous behaviour in BrainPhys treated groups. Further development of analysis pipelines to reveal network level changes in brain organoids will enrich our understanding of network formation and perturbation in these structures, and aid in the future development of drugs that target neurological disorders at the network level.