From Dynamic Expression Patterns to Boundary Formation in the Presomitic Mesoderm

The segmentation of the vertebrate body is laid down during early embryogenesis. The formation of signaling gradients, the periodic expression of genes of the Notch-, Fgf- and Wnt-pathways and their interplay in the unsegmented presomitic mesoderm (PSM) precedes the rhythmic budding of nascent somites at its anterior end, which later develops into epithelialized structures, the somites. Although many in silico models describing partial aspects of somitogenesis already exist, simulations of a complete causal chain from gene expression in the growth zone via the interaction of multiple cells to segmentation are rare. Here, we present an enhanced gene regulatory network (GRN) for mice in a simulation program that models the growing PSM by many virtual cells and integrates WNT3A and FGF8 gradient formation, periodic gene expression and Delta/Notch signaling. Assuming Hes7 as core of the somitogenesis clock and LFNG as modulator, we postulate a negative feedback of HES7 on Dll1 leading to an oscillating Dll1 expression as seen in vivo. Furthermore, we are able to simulate the experimentally observed wave of activated NOTCH (NICD) as a result of the interactions in the GRN. We esteem our model as robust for a wide range of parameter values with the Hes7 mRNA and protein decays exerting a strong influence on the core oscillator. Moreover, our model predicts interference between Hes1 and HES7 oscillators when their intrinsic frequencies differ. In conclusion, we have built a comprehensive model of somitogenesis with HES7 as core oscillator that is able to reproduce many experimentally observed data in mice

Axial skeletal defects caused by mutation in the spondylocostal dysplasia/pudgy gene Dll3 are associated with disruption of the segmentation clock within the presomitic mesoderm

A loss-of-function mutation in the mouse delta-like3 (Dll3) gene has been generated following gene targeting, and results in severe axial skeletal defects. These defects, which consist of highly disorganised vertebrae and costal defects, are similar to those associated with the Dll3-dependent pudgy mutant in mouse and with spondylocostal dysplasia (MIM 277300) in humans. This study demonstrates that Dll3neo and Dll3pu are functionally equivalent alleles with respect to the skeletal dysplasia, and we suggest that the three human DLL3 mutations associated with spondylocostal dysplasia are also functionally equivalent to the Dll3neo null allele. Our phenotypic analysis of Dll3neo/Dll3neo mutants shows that the developmental origins of the skeletal defects lie in delayed and irregular somite formation, which results in the perturbation of anteroposterior somite polarity. As the expression of Lfng, Hes1, Hes5 and Hey1 is disrupted in the presomitic mesoderm, we suggest that the somitic aberrations are founded in the disruption of the segmentation clock that intrinsically oscillates within presomitic mesoderm

her15, a novel gene with oscillating mRNA expression domains and its potential role in zebrafish somitogenesis

Somitogenesis is the key developmental process which lays down the framework for an organised body plan in vertebrates and cephalochordates. Somitogenesis divides the body axis into transient segmental structures called somites, which later give rise to muscles and vertebrae of the trunk and tail. Somites are generated from the unsegmented presomitic mesoderm (PSM) by an intricate process of prepatterning. Prepatterning is driven by a segmentation clock referred to as the presomitic mesoderm oscillator. This oscillator consists of certain gene members with oscillating mRNA expression compartments that sweep like a wave from the posterior to the anterior end of the embryonic PSM. The Delta-Notch pathway and various genes belonging to the hairy-(h) and Enhancer of split - [E(spl)] related family, are the core conserved components of this oscillator. h/E(spl) genes in zebrafish are commonly referred to as her genes. her1 and her7, play very important roles in the regulation of somitogenesis. The open question is how many her genes are core components of the zebrafish presomitic mesoderm oscillator and how do they interact with one another? To answer this, an in situ screen for h/E(spl) genes in zebrafish was conducted by Sieger et al., (2004). Three new her genes with oscillating mRNA expression domains were identified and one of them is her15, which has been further characterized in this PhD thesis. her15 mRNA is expressed as a distinct oscillatory posterior PSM domain which shows three primary phases, namely broad, intermediate and dot-like. Comparable to other her genes, her15 also showed stripes in the anterior PSM but unlike others, these stripes were found to be expressed at double segmental distance. Additionally, the her15 stripe was found to label the posterior border of the last somite. Morpholino gene knock down studies showed that the oscillating expression of her15 is partly dependent on her7 regulation, but independent of her1. Oscillating her15 mRNA signals in the posterior PSM displays fluctuations with respect to left and right halves of the embryonic PSM, suggestive of the autonomy of both halves of the embryo in generating the signal. Misexpression studies suggest a prospective role for her15 in the regulation of somite border formation and oscillatory gene expression in zebrafish PSM. Morpholinos against her15 did not result in morphological border disruption, or in changes in mRNA expression of genes of the Delta-Notch pathway. ZfChp, the second candidate gene which has been analyzed in the present thesis, came out of a screen of the NIH cDNA in situ expression database. ZfChp exhibits dynamic stripes of mRNA expression in the intermediate PSM region, a dynamic zone where tail bud mesenchymal cells undergo transition to epithelial state (mesenchymal to epithelial transition-MET), thus giving rise to somites. It the molecular signature of a Rho family GTPase with respect to conserved Rho GTPase domains. The Delta-Notch signaling pathway positively regulates the dynamic stripes of ZfChp in the intermediate PSM region. This provides the first molecular evidence supporting a link between prepatterning of the PSM and MET in zebrafish embryos

Patterning in time and space: HoxB cluster gene expression in the developing chick embryo

The developing embryo is a paradigmatic model to study molecular mechanisms of time control in Biology. Hox genes are key players in the specification of tissue identity during embryo development and their expression is under strict temporal regulation. However, the molecular mechanisms underlying timely Hox activation in the early embryo remain unknown. This is hindered by the lack of a rigorous temporal framework of sequential Hox expression within a single cluster. Herein, a thorough characterization of HoxB cluster gene expression was performed over time and space in the early chick embryo. Clear temporal collinearity of HoxB cluster gene expression activation was observed. Spatial collinearity of HoxB expression was evidenced in different stages of development and in multiple tissues. Using embryo explant cultures we showed that HoxB2 is cyclically expressed in the rostral presomitic mesoderm with the same periodicity as somite formation, suggesting a link between timely tissue specification and somite formation. We foresee that the molecular framework herein provided will facilitate experimental approaches aimed at identifying the regulatory mechanisms underlying Hox expression in Time and Space.Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (FCT), Portugal [PTDC/SAU-OBD/105111/2008, UMINHO/BI/7/2014, SFRH/BPD/65652/2009]; Ciencia Program Contract; Programa Operacional Regional do Norte (ON. 2) [NORTE-07-0124-FEDER-000017]; FCT (National and FEDER COMPETE Program) [PTDC/SAU-BID/121459/2010, PTDC/SAU-OBD/099758/2008]; [PEst-OE/EQB/LA0023/2011]info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Analysis of the Zebrafish Segmentation Clock

In vertebrates, the repeating vertebrae in the vertebral column are the clearest indicators of the segmented body plan. The embryonic precursors of the vertebral column and skeletal musculature are bilaterally symmetric blocks of tissue flanking the notochord called somites. Somites are generated sequentially and periodically from an unsegmented tissue called the presomitic mesoderm (PSM) by a process called somitogenesis. Underlying the periodicity of somitogenesis are transcriptional oscillations of cyclic genes in the cells of the PSM. On a tissue level, these oscillations manifest as travelling waves, departing from the posterior and arresting in the anterior. The position of arrest prefigures the position of the new somite boundary. The molecular network that comprises the cyclic genes and their regulation in the PSM is termed the segmentation clock. Retinoic acid (RA) has been previously proposed to be a differentiation signal that acts to arrest the oscillations at the anterior of the PSM. This thesis shows the zebrafish RA catabolism mutant giraffe has an altered cyclic gene wave pattern, an observation that suggests that rather than stop their oscillations, cells tune their frequencies in response to RA signalling, introducing a novel function for RA in the zebrafish segmentation clock. In amniotes, the segmentation clock instructs the metamery of the vertebral column, but in zebrafish, the relationship is not established. This thesis demonstrates that the segmentation clock is not required in zebrafish for the development of a periodic vertebral column by using a novel segmentation clock mutant, thereby supporting a role for the notochord in the development of vertebral column metamery. Therefore, two periodic patterning processes establish zebrafish body pattern – one segments the somites and musculature, and the second segments the vertebral column. This thesis advances the understanding of the mechanisms of body pattern establishment by way of these novel insights

Timing embryo segmentation: dynamics and regulatory mechanisms of the vertebrate segmentation clock

All vertebrate species present a segmented body, easily observed in the vertebrate column and its associated components, which provides a high degree of motility to the adult body and efficient protection of the internal organs. The sequential formation of the segmented precursors of the vertebral column during embryonic development, the somites, is governed by an oscillating genetic network, the somitogenesis molecular clock. Herein, we provide an overview of the molecular clock operating during somite formation and its underlying molecular regulatory mechanisms. Human congenital vertebral malformations have been associated with perturbations in these oscillatory mechanisms. Thus, a better comprehension of the molecular mechanisms regulating somite formation is required in order to fully understand the origin of human skeletal malformations.Fundacao paraa Ciencia e a Tecnologia, Portugal [SFRH/BD/27796/2006, SFRH/BPD/80588/2011]; Programa Operacional Regional do Norte (ON.2) [NORTE-07-0124-FEDER-000017]; Centro de Biomedicina Molecular e Estrutural, LA; Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (National and FEDER COMPETE Program funds) [PTDC/SAU-BID/121459/2010, PTDC/SAU-OBD/099758/2008]; [PEst-OE/EQB/LA0023/2011

Fibronectin cues during somite formation

Tese de doutoramento, Biologia (Biologia do Desenvolvimento), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2013The formation of the string of individual somite segments is a hallmark morphogenetic event during embryonic development, establishing the basic foundations of the vertebrate body. Somites pinch off from the mesenchymal presomitic mesoderm on either side of the neural tube, as epithelial blocks of cells, with a strict chronological sequence in a rostral to caudal fashion. In recent decades, the intense scrutiny and investigation on the temporal and spatial regulation of somitogenesis has produced a fascinating picture on the mechanisms underlying vertebrate embryo segmentation. However, our knowledge regarding the cellular performance involved in the detachment and individualization of the somitic segment remains quite obscure. The extracellular matrix molecule fibronectin has been implicated in somitogenesis since its discovery and its role was reinforced with the genetic deletion in the mouse embryo, but how fibronectin participates in the formation of the epithelial somite is still unclear. The aim of this thesis is to investigate how the interaction between the presomitic mesoderm cells and the fibronectin matrix contributes to the detachment of the somite sphere of epithelial cells, using the chicken embryo as a model. In Chapter 2 we first resolve the disputed role of the ectoderm overlying the presomitic mesoderm, showing that is serves as a source of fibronectin, which becomes assembled as a fibrillar matrix around the presomitic mesoderm, supporting somite formation. Through microsurgical explant collection and culture we show for the first time that a presomitic mesoderm isolated from all surrounding tissues can undergo somitogenesis provided that the original fibrillar fibronectin sleeve is preserved. In Chapter 3 and 4 we adopt a three-dimensional view of somite formation, evaluating in detail the cellular rearrangements underlying somitogenesis (Chapter 3) and the architecture of the fibronectin matrix along the full extent of the presomitic mesoderm and somites (Chapter 4). The combination of time-lapsed movies and explant culture analysis presented in Chapter 3 revealed that intersomitic cleft formation is mostly driven by the cells in the rostral border and that mesenchymal cells from the central locations contribute to the outer epithelial layer of somites. The high-resolution analysis of the extracellular matrix displayed in Chapter 4 revealed that an increased fibrillar complexity of the fibronectin matrix accompanies presomitic mesoderm maturation, preluding somite formation. We co-analyzed the distribution of the epithelium-associated extracellular molecule laminin and found, together with our observations in Chapter 2 that it does not contribute to the epithelialization of the somite. The thorough analysis in this Chapter is also one of the few detailed evaluations of extracellular matrix component assembly in a complex three-dimensional in vivo tissue. In the final chapter, Chapter 5, we investigate the role of cell tension, elicited by the cell attachment to its milieu, in the epithelialization and detachment of somites. The epithelialization process is abrogated by specific cell tension inhibitors, but already formed somites can partially maintain their epithelial organization. Remarkably, these inhibitors also interfere with the spatial regulation of Meso1 expression, a key gene underlying both the location of the future somite boundary and the establishment of the rostral-caudal polarity of the somite segment. In combination with the previous chapters, these results indicate that the assembly of a fibronectin matrix along the caudal-rostral axis of the presomitic maturation is a part of the maturation process: the increased fibrillar complexity provides the tensional support for both the cell rearrangements essential for somite detachment, epithelialization of the peripheral cells and apparently also as a spatial cue influencing the developmental programs of the presomitic mesoderm. Overall, this thesis demonstrates the prominent role of the fibronectin extracellular matrix during somitogenesis in the chicken embryo. The results obtained highlight that the extracellular matrix dimension is a worthy player during embryonic development.O esquema geral do desenvolvimento embrionário dos Vertebrados é marcado por duas conspícuas fileiras de elementos repetidos, situadas em ambos os lados do tubo neural, localizado numa posição axial. Estas estruturas repetidas, chamadas sómitos, vão originar os elementos ósseos que compõem o esqueleto axial, as vértebras, de onde deriva o nome deste sub-filo. Os sómitos dão também origem à musculatura esquelética do tronco e membros, assim como à derme das costas, entre outros tecidos. Os sómitos são originários de um tecido mesodérmico não-segmentado, de forma cilíndrica, situado em ambos os lados do tubo/placa neural, tecido esse que é denominado mesoderme pré-somítica (MPS). Em conjunto, os sómitos e as MPS compõem a mesoderme paraxial (i.e. a mesoderme imediatamente lateral ao eixo central). Cada par de sómitos destaca-se, de um modo temporal e espacialmente regulado, da extremidade mais rostral da MPS, originando um gradiente caudo-rostral de crescente maturação somítica. Ao mesmo tempo, o embrião continua a alongar-se no sentido caudal, e a gastrulação que decorre no botão caudal acrescenta celulas à MPS mesenquimatosa A formação de cada sómito epitelial é acompanhada por um processo de transição mesênquima epitélio, resultando na formação de uma esfera de células epiteliais rodeando um núcleo de células mesenquimatosas. A formação dos sómitos não só é importante para a formação das vértebras e outros tecidos que deles directamente derivam, mas também são responsáveis pela imposição do arranjo segmentado do sistema nervoso periférico. Embora a formação dos sómitos intrigue observadores desde tempos longínquos, as mais recentes décadas foram fundamentais para elucidar alguns dos aspectos mais intrigantes deste fenómeno. Dada a importância estrutural dos sómitos em todo o desenvolvimento embrionário subsequente, a estrita regulação temporal e espacial da somitogénese foi alvo de um interesse superior, que culminou com a descoberta da primeira evidência da regulação temporal. Genes com um comportamento transcripcional cíclico, adequadamente denominados “genes cíclicos”, dos quais Hairy1 foi o primeiro descrito, evidenciaram a existência de um mecanismo metrónomo (oscilador), essencial para a regulação temporal da somitogénese em embriões de galinha. Posteriormente foi descoberta a existência de um gradiente de maturação caudo-rostral ao longo da MPS que balizava, a um nível hipotético do gradiente, a actividade do oscilador, transformando-a num localização espacial na MPS, coincidente com a formação de um segmento somítico. Estas evidências despoletaram toda uma nova compreensão do fenómeno, não só do ponto de vista conceptual como mecanístico, não obstante o mecanismo de oscilador-gradiente para a produção regular de segmentos já tivesse sido postulado anteriormente por modelos matemáticos. Embora nos dias de hoje já tenhamos uma ideia bastante robusta de como a somitogénese é regulada, ainda são numerosas as questões basilares cujas respostas ainda permanecem pouco claras. Nesta tese pretendemos abordar o fenómeno da somitogénese num dos aspectos que tem sido mais negligenciado: a formação morfológica de estruturas epiteliais, individuais, discretas – os sómitos -, a partir de um tecido mesenquimatoso, uniforme e não-segmentado – a MPS. Durante a somitogénese as células da MPS rostral rearranjam-se de um modo rápido e dramático, formando uma fenda transversal, e destacando-se da MPS remanescente sob a forma de uma esfera epitelial. A formação de sómitos é um fenómeno extremamente robusto, ocorrendo mesmo quando genes envolvidos na regulação espácio-temporal são geneticamente removidos. Embora os mecanismos envolvidos na formação dos sómitos ainda sejam pouco claros, a investigação de outros fenómenos morfogenéticos embrionários têm revelado que o seu enquadramento extracelular é essencial na orquestração dos comportamentos celulares subjacentes à criação de novas formas. Nesta tese procurámos aprofundar a compreensão da formação dos sómitos no embrião de galinha, explorando a interacção entre as células das MPS e os componentes não-celulares presentes no espaço extracelular, conjuntamente denominados matriz extracelular (MEC). Em particular, investigámos o papel da fibronectina, uma glicoproteína da MEC, durante a formação do sómito epitelial. De entre as várias moléculas que compõem a MEC, a fibronectina encontra-se presente de um modo ubíquo durante a embriogénese mas também em tecidos adultos. A fibronectina é polimerizada numa complexa rede de fibrilhas num processo totalmente dependente de uma acção celular. Décadas de investigação em células em cultura revelaram que a fibronectina é secretada como um dímero numa conformação compacta, e a molécula é estendida através de ligações às células, expondo locais essenciais para a polimerização. A fibronectina é uma molécula de adesão por excelência, regularmente associada a fenómenos de fixação, num contexto de migração e dispersão celular. Assim como a fibronectina, outros componentes da MEC não só albergam passivamente as células, mas também desempenham um papel instrutivo na regulação do comportamento celular. A laminina, uma outra glicoproteína da MEC estudada nesta tese, é um componente essencial da membrana basal, uma MEC especializada, crítica para a formação e manutenção de tecidos epiteliais. As células obtêm a informação sobre a MEC circundante através de receptores transmembranares denominados integrinas. Estes receptores heterodiméricos são transductores de sinais importantíssimos, que, embora não sejam transmissores de sinais per se, interagem com inúmeras moléculas de variadas vias sinalizadoras. As integrinas servem também como o elo de ligação físico entre o cito-esqueleto das células e a MEC, participando assim não só na avaliação bioquímica da MEC, como também das suas propriedades mecânicas. A interacção célula-MEC na regulação do comportamento celular tem sido alvo de investigação particularmente em células em cultura e num contexto patológico, sendo que o seu papel no desenvolvimento embrionário ainda não mereceu a devida atenção. Embora a deleção de vários genes para componentes da MEC tenham demonstrado claramente o seu papel fundamental nos estádios iniciais de desenvolvimento, os pormenores do papel da respectiva MEC em fenómenos mais particulares carecem de explicação. Notoriamente, a deleção do gene que codifica a fibronectina resulta numa letalidade embrionária precoce, e na completa ausência de sómitos embora a mesoderme paraxial seja formada normalmente, um fenótipo singular de entre as inúmeras deleções genéticas afectando a somitogénese. No entanto, e apesar de a fibronectina ter sido implicada na somitogénese noutros vertebrados-modelo, pouco se sabe do papel da matriz de fibronectina neste evento morfogenético. Numa primeira fase, esta tese pretendeu resolver uma série de observações respeitantes à capacidade da MPS de formar sómitos na presença ou ausência de tecidos circundantes, nomeadamente, a ectoderme, colocada dorsalmente à mesoderme paraxial. No capítulo 2 desta tese evidenciamos que a somitogénese ocorria em MPS isoladas de todos os tecidos circundantes, ao contrário das numerosas observações anteriores, mas apenas se a matriz de fibronectina original for mantida. Neste capítulo demonstramos que a ectoderme serve a formação de sómitos como um parceiro na formação da matriz de fibronectina e não como uma fonte de factores parácrinos. Em combinação com o capítulo 4, esta tese revela que a ectoderme é uma importante fonte de produção de fibronectina, e que conformações globulares de fibronectina estão localizadas no seu lado basal. Este capítulo 2 não só clarifica a função da ectoderme, indicando como certas idiossincrasias metodológicas resultaram nas observações anteriores, como também reforça a noção da autonomia do programa genético na MPS mais rostral. Dado a complexidade de um tecido embrionário que se estende em todas as direccões, no capítulo seguinte investigamos o fenómeno da formação da fenda intersomitica de um ponto de vista tridimensional. Aprimorando a visualização in vivo e em “time-lapse” da somitogénese, constatámos a complexidade dos movimentos celulares envolvidos na formação da fenda e no rearranjo de um novo sómito. Neste capítulo 3 foi dado um enorme passo na compreensão da somitogénese numa perspectiva tri-dimensional de primeira linha. Esta nova perspectiva e a respectiva melhoria tecnológica e metodológica derivados deste trabalho possibilitaram e levaram a uma avaliação detalhada da ECM explanada no capítulo seguinte. No capítulo 4, foi feito um extenso mapeamento da MEC ao longo do eixo caudal-rostral da mesoderme paraxial. Esta abordagem não só acompanhou as alterações da matriz de fibronectina e laminina durante o desenvolvimento deste tecido, como também evidenciou pela primeira vez, os passos iniciais na formação in vivo e em 3D destas matrizes. Uma vez que na sua extremidade caudal, a MPS mesenquimatosa é o resultado directo da gastrulação, onde a MEC original é degradada, o eixo caudal-rostral reflecte a formação de novo da matriz de fibronectina e laminina. Ao longo da mesoderme paraxial, a fibronectina torna-se crescentemente mais densa e fibrilar, mas após a formação do sómito a laminina passa a ocupar o espaço junto das células e a matriz de fibronectina fica claramente exterior à membrana basal. Neste capítulo reforçamos a importância de uma matriz densa e fibrilar de fibronectina durante a formação do sómito epitelial, tal como demonstrado no capítulo 2, mas não da laminina, quase ausente. Adicionalmente, o acompanhamento da matriz de laminina revelou que a sua montagem ocorre de um modo fragmentado e disperso. Inesperadamente, observámos que os fragmentos de laminina crescem e coalescem, mas sem nunca formarem uma membrana basal contínua rodeando o sómito epitelial ou o seu derivado epitelial, o dermomiótomo. No capítulo experimental final (capítulo 5) investigamos o papel da tensão celular na somitogénese, assumindo o princípio provável que a MEC rodeando a mesoderme paraxial serve como um suporte físico para as células da MPS e dos sómitos. Neste capítulo foram utilizados inibidores de tensão celular, prevenindo a capacidade das células não só de usarem mecanicamente a MEC, como de percepcionar as características mecânicas da MEC. Este trabalho revelou que o carácter epitelial dos sómitos normalmente surge imediatamente após o seu descolamento da MPS rostral, reforçando a integridade do segmento. Na presença de inibidores da tensão celular, o carácter epitelial em aquisição é perdido, mas os sómitos epiteliais mantêm pelo menos parcialmente a sua forma, demonstrando alguma robustez. A presença de inibidores de tensão, em particular, inibidores de vias próximas da sinalização mediada por integrinas, alteraram também o programa genético na MPS, revelando uma possível regulação mecanosensitiva da resposta aos gradientes subjacentes à determinação da MPS rostral. Em conjunto, esta tese evidenciou que a contínua montagem de uma matriz de fibronectina, numa conjugação de esforços pela ectoderme e pela MPS, acompanha o desenvolvimento da mesoderme paraxial, levando ao estabelecimento de uma matriz madura, capaz de suportar a formação de sómitos e de manter os segmentos separados. Mostramos também que a complexa orquestração dos movimentos celulares durante a somitogénese requer um sinal polarizador da fibronectina (provavelmente com um valor mecânico), efectuador da epitelização do sómito e no processo separador da fenda intersomítica. São lançadas também hipóteses de como a matriz de fibronectina se integra noutros mecanismos durante a formação da fenda, e na regulação tenso- mecânica da integração dos gradientes que definem espacialmente a MPS determinada mais rostral.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, SFRH/BD/37423/207, projectos PPCDT/BIA-BCM/59201/2004, PTDC/SAU-OBD/103771/2008) e European Union FP6 Network of Excellence ‘Cells into Organs’ (2004-2009

α5β1 Integrin-Mediated Adhesion to Fibronectin Is Required for Axis Elongation and Somitogenesis in Mice

The arginine-glycine-aspartate (RGD) motif in fibronectin (FN) represents the major binding site for α5β1 and αvβ3 integrins. Mice lacking a functional RGD motif in FN (FNRGE/RGE) or α5 integrin develop identical phenotypes characterized by embryonic lethality and a severely shortened posterior trunk with kinked neural tubes. Here we show that the FNRGE/RGE embryos arrest both segmentation and axis elongation. The arrest is evident at about E9.0, corresponding to a stage when gastrulation ceases and the tail bud-derived presomitic mesoderm (PSM) induces α5 integrin expression and assumes axis elongation. At this stage cells of the posterior part of the PSM in wild type embryos are tightly coordinated, express somitic oscillator and cyclic genes required for segmentation, and form a tapered tail bud that extends caudally. In contrast, the posterior PSM cells in FNRGE/RGE embryos lost their tight associations, formed a blunt tail bud unable to extend the body axis, failed to induce the synchronised expression of Notch1 and cyclic genes and cease the formation of new somites. Mechanistically, the interaction of PSM cells with the RGD motif of FN is required for dynamic formation of lamellipodia allowing motility and cell-cell contact formation, as these processes fail when wild type PSM cells are seeded into a FN matrix derived from FNRGE/RGE fibroblasts. Thus, α5β1-mediated adhesion to FN in the PSM regulates the dynamics of membrane protrusions and cell-to-cell communication essential for elongation and segmentation of the body axis

The vertebrate Embryo Clock: Common players dancing to a different beat

Vertebrate embryo somitogenesis is the earliest morphological manifestation of the characteristic patterned structure of the adult axial skeleton. Pairs of somites flanking the neural tube are formed periodically during early development, and the molecular mechanisms in temporal control of this early patterning event have been thoroughly studied. The discovery of a molecular Embryo Clock (EC) underlying the periodicity of somite formation shed light on the importance of gene expression dynamics for pattern formation. The EC is now known to be present in all vertebrate organisms studied and this mechanism was also described in limb development and stem cell differentiation. An outstanding question, however, remains unanswered: what sets the different EC paces observed in different organisms and tissues? This review aims to summarize the available knowledge regarding the pace of the EC, its regulation and experimental manipulation and to expose new questions that might help shed light on what is still to unveil.info:eu-repo/semantics/publishedVersio