Abstract Inter-species comparisons of both morphology and gene expression within a phylum have revealed a period in the middle of embryogenesis with more similarity between species compared to earlier and later time-points. This ‘developmental hourglass’ pattern has been observed in many phyla, yet the evolutionary constraints on gene expression, and underlying mechanisms of how this is regulated, remains elusive. Moreover, the role of positive selection on gene regulation in the more diverged earlier and later stages of embryogenesis remains unknown. Here, using DNase-seq to identify regulatory regions in two distant Drosophila species ( D. melanogaster and D. virilis ), we assessed the evolutionary conservation and adaptive evolution of enhancers throughout multiple stages of embryogenesis. This revealed a higher proportion of conserved enhancers at the phylotypic period, providing a regulatory basis for the hourglass expression pattern. Using an in silico mutagenesis approach, we detect signatures of positive selection on developmental enhancers at early and late stages of embryogenesis, with a depletion at the phylotypic period, suggesting positive selection as one evolutionary mechanism underlying the hourglass pattern of animal evolution.

The interplay between transcription factors and chromatin accessibility regulates cell type diversification during vertebrate embryogenesis. To systematically decipher the gene regulatory logic guiding this process, we generated a single-cell multi-omics atlas of RNA expression and chromatin accessibility during early zebrafish embryogenesis. We developed a deep learning model to predict chromatin accessibility based on DNA sequence and found that a small number of transcription factors underlie cell-type-specific chromatin landscapes. While Nanog is well-established in promoting pluripotency, we discovered a new function in priming the enhancer accessibility of mesendodermal genes. In addition to the classical stepwise mode of differentiation, we describe instant differentiation, where pluripotent cells skip intermediate fate transitions and terminally differentiate. Reconstruction of gene regulatory interactions reveals that this process is driven by a shallow network in which maternally deposited regulators activate a small set of transcription factors that co-regulate hundreds of differentiation genes. Notably, misexpression of these transcription factors in pluripotent cells is sufficient to ectopically activate their targets. This study provides a rich resource for analyzing embryonic gene regulation and reveals the regulatory logic of instant differentiation.

A bioinspired hydrogel composed of hyaluronic acid- graft -dopamine (HADA) and a designer peptide HGF-(RADA) 4 -DGDRGDS (HRR) was presented to enhance tissue integration following spinal cord injury (SCI). The HADA/HRR hydrogel manipulated the infiltration of PDGFRβ + cells in a parallel pattern, transforming dense scars into an aligned fibrous substrate that guided axonal regrowth. Further incorporation of NT3 and curcumin promoted axonal regrowth and survival of interneurons at lesion borders, which served as relays for establishing heterogeneous axon connections in a target-specific manner. Notable improvements in motor, sensory, and bladder functions resulted in rats with complete spinal cord transection. The HADA/HRR + NT3/Cur hydrogel promoted V2a neuron accumulation in ventral spinal cord, facilitating the recovery of locomotor function. Meanwhile, the establishment of heterogeneous neural connections across the hemisected lesion of canines was documented in a target-specific manner via neuronal relays, significantly improving motor functions. Therefore, biomaterials can inspire beneficial biological activities for SCI repair.

Abstract Spatiotemporal patterns of gene expression underlie embryogenesis. Despite progress in single-cell genomics, mapping these patterns across whole embryos with comprehensive gene coverage and at high resolution has remained elusive. Here, we introduce a w hole- e mbryo imaging platform using m ultiplexed e rror-robust fluorescent in- s itu h ybridization (weMERFISH). We quantified the expression of 495 genes in whole-mount zebrafish embryos at subcellular resolution. Integration with single-cell multiomics data generated an atlas detailing the expression of 25,872 genes and the accessibility of 294,954 chromatin regions, explorable with an online interface MERFISHEYES (beta version). We found that temporal gene expression aligns with cellular maturation and morphogenetic movements, diverse expression patterns correspond to composites of tissue-specific accessible elements, and changes in gene expression generate sharp boundaries during gastrulation. These results establish a novel approach for whole-organism spatial transcriptomics, provide a comprehensive spatially resolved atlas of gene expression and chromatin accessibility, and reveal the diversity, precision and emergence of embryonic patterns.

During differentiation, cells become structurally and functionally specialized, but comprehensive views of the underlying remodeling processes are elusive. Here, we leverage scRNA-seq developmental trajectories to reconstruct differentiation using two secretory tissues as a model system - the zebrafish notochord and hatching gland. First, we present an approach to integrate expression and functional similarities for gene module identification, revealing dozens of gene modules representing known and newly associated differentiation processes and their temporal ordering. Second, we focused on the unfolded protein response (UPR) transducer module to study how general versus cell-type specific secretory functions are regulated. By profiling loss- and gain-of-function embryos, we found that the UPR transcription factors creb3l1, creb3l2, and xbp1 are master regulators of a general secretion program. creb3l1/creb3l2 additionally activate an extracellular matrix secretion program, while xbp1 partners with bhlha15 to activate a gland-specific secretion program. Our study offers a multi-source integrated approach for functional gene module identification and illustrates how transcription factors confer general and specialized cellular functions.

A driving hypothesis of Evo-Devo is that animal morphological diversity is shaped both by adaptation and by developmental constraints. Here we have tested Darwin's "selection opportunity" hypothesis, according to which high evolutionary divergence in late development is due to strong positive selection. We contrasted it to a "developmental constraint" hypothesis, according to which late development is under relaxed negative selection. Indeed, the highest divergence between species, both at the morphological and molecular levels, is observed late in embryogenesis and post-embryonically. To distinguish between adaptation and relaxation hypotheses, we investigated the evidence of positive selection on protein-coding genes in relation to their expression over development, in fly Drosohila melanogaster, zebrafish Danio rerio, and mouse Mus musculus. First, we found that genes specifically expressed in late development have stronger signals of positive selection. Second, over the full transcriptome, genes with evidence for positive selection trend to be expressed in late development. Finally, genes involved in pathways with cumulative evidence of positive selection have higher expression in late development. Overall, there is a consistent signal that positive selection mainly affects genes and pathways expressed in late embryonic development and in adult. Our results imply that the evolution of embryogenesis is mostly conservative, with most adaptive evolution affecting some stages of post-embryonic gene expression, and thus post-embryonic phenotypes. This is consistent with the diversity of environmental challenges to which juveniles and adults are exposed.

High-throughput single-cell sequencing technologies hold tremendous potential for defining cell types in an unbiased fashion using gene expression and epigenomic state. A key challenge in realizing this potential is integrating single-cell datasets from multiple protocols, biological contexts, and data modalities into a joint definition of cellular identity. We previously developed an approach called Linked Inference of Genomic Experimental Relationships (LIGER) that uses integrative nonnegative matrix factorization to address this challenge. Here, we provide a step-by-step protocol for using LIGER to jointly define cell types from multiple single-cell datasets. The main steps of the protocol include data preprocessing and normalization, joint factorization, quantile normalization and joint clustering, and visualization. We describe how to jointly define cell types from single-cell RNA-seq and single-cell ATAC-seq data, but similar steps apply across a wide range of other settings and data types, including cross-species analysis, single-cell DNA methylation, and spatial transcriptomics. Our protocol contains examples of expected results, describes common pitfalls, and relies only on our freely available, open-source R implementation of LIGER. We also provide Rmarkdown tutorials showing the outputs from each individual code segment. The analysis process can be performed in 1 - 4 h depending on dataset size and assumes no specialized bioinformatics training.

The evolutionary history of vertebrates is marked by three ancient whole-genome duplications: two successive rounds in the ancestor of vertebrates, and a third one specific to teleost fishes. Biased loss of most duplicates enriched the genome for specific genes, such as slow evolving genes, but this selective retention process is not well understood. To understand what drives the long-term preservation of duplicate genes, we characterized duplicated genes in terms of their expression patterns. We used a new method of expression enrichment analysis, TopAnat, applied to in situ hybridization data from thousands of genes from zebrafish and mouse. We showed that the presence of expression in the nervous system is a good predictor of a higher rate of retention of duplicate genes after whole-genome duplication. Further analyses suggest that purifying selection against the toxic effects of misfolded or misinteracting proteins, which is particularly strong in non-renewing neural tissues, likely constrains the evolution of coding sequences of nervous system genes, leading indirectly to the preservation of duplicate genes after whole-genome duplication. Whole-genome duplications thus greatly contributed to the expansion of the toolkit of genes available for the evolution of profound novelties of the nervous system at the base of the vertebrate radiation.

Developmental constraints on genome evolution have been suggested to follow either an early conservation model or an "hourglass" model. Both models agree that late development strongly diverges between species, but debate on which developmental period is the most conserved. Here, based on a modified "Transcriptome Age Index" approach, i.e. weighting trait measures by expression level, we analyzed the constraints acting on three evolutionary traits of protein coding genes (strength of purifying selection on protein sequences, phyletic age, and duplicability) in four species: nematode worm Caenorhabditis elegans, fly Drosophila melanogaster, zebrafish Danio rerio, and mouse Mus musculus. In general, we found that both models can be supported by different genomic properties. Sequence evolution follows an hourglass model, but the evolution of phyletic age and of duplicability follow an early conservation model. Further analyses indicate that stronger purifying selection on sequences in the middle development are driven by temporal pleiotropy of these genes. In addition, we report evidence that expression in late development is enriched with retrogenes, which usually lack efficient regulatory elements. This implies that expression in late development could facilitate transcription of new genes, and provide opportunities for acquisition of function. Finally, in C. elegans, we suggest that dosage imbalance could be one of the main factors that cause depleted expression of high duplicability genes in early development.

The evolution of embryological development has long been characterized by deep conservation. Both morphological and transcriptomic surveys have proposed a “hourglass” model of Evo-Devo[1][1],[2][2]. A stage in mid-embryonic development, the phylotypic stage, is highly conserved among species within the same phylum[3][3]–[7][4]. However, the reason for this phylotypic stage is still elusive. Here we hypothesize that the phylotypic stage might be characterized by selection for robustness to noise and environmental perturbations. This could lead to mutational robustness, thus evolutionary conservation of expression and the hourglass pattern. To test this, we quantified expression variability of single embryo transcriptomes throughout fly Drosophila melanogaster embryogenesis. We found that indeed expression variability is lower at extended germband, the phylotypic stage. We explain this pattern by stronger histone modification mediated transcriptional noise control at this stage. In addition, we find evidence that histone modifications can also contribute to mutational robustness in regulatory elements. Thus, the robustness to noise does indeed contributes to robustness of gene expression to genetic variations, and to the conserved phylotypic stage. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2 [3]: #ref-3 [4]: #ref-7