it is made available under a cc-by-nc 4.0 international ... · 1 quantification of gene expression...

28
1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 1 2 N. MartínezAbadías 1,2,3,*,† , R. Mateu 3 , J. Sastre 4 , Motch Perrine S 5 , Yoon M 5 , A. RobertMoreno 1,2,† , J. 3 Swoger 1,2,† , L. Russo 1,2 , Kawasaki K 5 , J. Richtsmeier 5 , J. Sharpe 1,2,6,† 4 5 1 Centre for Genomic Regulation (CRG), The Barcelona Institute for Science and Technology, Dr. Aiguader 6 88, 08003 Barcelona, Spain 7 2 Universitat Pompeu Fabra (UPF), Barcelona, Spain 8 3 Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain 9 4 Universitat de les Illes Balears (UIB), Palma de Mallorca, Spain 10 5 Pennsylvania State University, University Park (PA), USA 11 6 Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), Barcelona, Spain 12 * Corresponding author: [email protected]. Dr. Aiguader, 88, 1, 08003, Barcelona (Spain). 13 Current address: European Molecular Biology Lab (EMBL), Barcelona, Spain 14 15 Abstract 16 The earliest developmental origins of dysmorphologies are poorly understood in many congenital 17 diseases. They often remain elusive because the first signs of genetic misregulation may initiate as 18 subtle changes in gene expression, which can be obscured later in development due to secondary 19 phenotypic effects. We here develop a method to trace back the origins of phenotypic abnormalities by 20 accurately quantifying the 3D spatial distribution of gene expression domains in developing organs. By 21 applying geometric morphometrics to 3D gene expression data obtained by Optical Projection 22 Tomography, our approach is sensitive enough to find regulatory abnormalities never previously 23 detected. We identified subtle but significant differences in gene expression of a downstream target of 24 the Fgfr2 mutation associated with Apert syndrome. Challenging previous reports, we demonstrate that 25 Apert syndrome mouse models can further our understanding of limb defects in the human condition. 26 Our method can be applied to other organ systems and models to investigate the etiology of 27 malformations. 28 29 . CC-BY-NC 4.0 International license was not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under a The copyright holder for this preprint (which this version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256 doi: bioRxiv preprint

Upload: others

Post on 08-Jul-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

1  

Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 1 

 2 

N. Martínez‐Abadías1,2,3,*,†, R. Mateu3,  J.  Sastre4, Motch Perrine  S5, Yoon M5, A. Robert‐Moreno1,2,†,  J. 3 

Swoger1,2,†, L. Russo1,2, Kawasaki K5, J. Richtsmeier5, J. Sharpe1,2,6,† 4 

 5 

1 Centre for Genomic Regulation (CRG), The Barcelona Institute for Science and Technology, Dr. Aiguader 6 

88, 08003 Barcelona, Spain 7 

2 Universitat Pompeu Fabra (UPF), Barcelona, Spain  8 

3 Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain 9 

4 Universitat de les Illes Balears (UIB), Palma de Mallorca, Spain 10 

5 Pennsylvania State University, University Park (PA), USA 11 

6 Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), Barcelona, Spain 12 

* Corresponding author: [email protected]. Dr. Aiguader, 88, ‐1, 08003, Barcelona (Spain).  13 

†Current address: European Molecular Biology Lab (EMBL), Barcelona, Spain 14 

 15 

Abstract 16 

The  earliest  developmental  origins  of  dysmorphologies  are  poorly  understood  in  many  congenital 17 

diseases.  They  often  remain  elusive  because  the  first  signs  of  genetic misregulation may  initiate  as 18 

subtle  changes  in  gene  expression, which  can  be  obscured  later  in  development  due  to  secondary 19 

phenotypic effects. We here develop a method to trace back the origins of phenotypic abnormalities by 20 

accurately quantifying the 3D spatial distribution of gene expression domains  in developing organs. By 21 

applying  geometric  morphometrics  to  3D  gene  expression  data  obtained  by  Optical  Projection 22 

Tomography,  our  approach  is  sensitive  enough  to  find  regulatory  abnormalities  never  previously 23 

detected. We identified subtle but significant differences in gene expression of a downstream target of 24 

the Fgfr2 mutation associated with Apert syndrome. Challenging previous reports, we demonstrate that 25 

Apert syndrome mouse models can further our understanding of  limb defects  in the human condition. 26 

Our  method  can  be  applied  to  other  organ  systems  and  models  to  investigate  the  etiology  of 27 

malformations.  28 

 29 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 2: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

2  

Keywords:  Developmental  defects,  Optical  Projection  Tomography  (OPT),  Whole‐Mount‐in‐Situ 30 

Hybridization (WISH), Geometric Morphometrics (GM), quantitative shape analysis,  limb development, 31 

Apert syndrome. 32 

 33 

 34 

Morphogenesis  is  guided  by  dynamic  spatio‐temporal  regulation  of  gene  expression  patterns1,2,  the 35 

regions within  tissues where genes are expressed at  specific developmental  times. Critical changes  in 36 

the space, time or intensity of gene expression patterns can result in organ malformation, with reduced 37 

or even loss of function. These errors of morphogenesis, which occur in approximately 3% of live births3, 38 

are induced by environmental and/or genetic insults that alter the normal process of development. The 39 

common approach  to  reveal  the origin of  these alterations  is  to  look  for phenotypic abnormalities  in 40 

animal models  and  visually  assess  the overall  patterns  of  gene  expression. However,  this  qualitative 41 

approach has not been able to identify the earliest signs of dysmorphogenesis in many diseases because 42 

the first changes in the gene expression patterns may be subtle, limited in time, and later abnormalities 43 

may  obscure  the  original  genetic  cause.  To  reveal  the primary  etiology  of  congenital malformations, 44 

more rigorous methods are needed to quantify the 3D phenotypes of gene expression patterns. A useful 45 

tool  to  trace  back  development  should  be  able  to  perform  a  quantitative  statistical  comparison  of 46 

normal and disease‐altered embryogenesis and detect the earliest signs of genetic misregulation leading 47 

to organ malformation. 48 

Developing  organs  are  shaped  by  regulating  gene  activity  in  space  and  time1.  Cascades  of  gene 49 

regulatory networks provide the detailed  instructions to organize cell behaviour and orchestrate tissue 50 

growth  and differentiation. Gene expression patterns  can be  readily mapped within  tissues  in  a  true 51 

three‐dimensional  framework  combining  Whole‐Mount‐in‐Situ  Hybridization  (WISH)4  with  Optical 52 

Projection  Tomography  (OPT)5. Whereas WISH  is  a  standard molecular  technique  for  detecting  the 53 

expression of a specific gene using a labelled complementary RNA probe6,7, OPT is a mesoscopic imaging 54 

procedure that can produce high resolution 3D reconstructions of whole developing embryos processed 55 

by WISH8,9. These technologies represented breakthroughs in developmental biology and have provided 56 

invaluable qualitative insights into gene function and development8. However, methods for quantifying 57 

the 3D gene expression distributions in a systematic, objective manner are still lacking.  58 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 3: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

3  

Expanding the potential of OPT from qualitative to quantitative analysis of gene expression patterns  is 59 

challenging.  The  expression  of  genes  is  characterized  by  highly  dynamic  patterns, with  fast  rates  of 60 

change  over  time  and  fuzzy  boundaries  that  usually  do  not  correspond  to  well‐defined  anatomical 61 

structures  but  to  tissue  regions  where  cells  are  dynamically  up‐  and  down‐regulating  genes.  The 62 

quantification of gene expression patterns has been rarely done10–16. We propose to quantify the shape 63 

of developing organs  in association with their underlying gene expression patterns applying Geometric 64 

Morphometrics  (GM),  a  set  of  statistical  tools  for measuring  and  comparing  shapes with  increased 65 

precision and efficiency17–22. This approach provides the ability to replace qualitative observations with 66 

quantification  of  subtle  yet  significant  biological  differences  that  underlie  the  processes  of 67 

morphogenesis altered by disease.  68 

Here  we  illustrate  how  our  method  can  reveal  the  genetic  origin  of  developmental  defects  by 69 

investigating  limb  malformations  in  Apert  syndrome  [OMIM  101200].  Apert  syndrome  is  a  rare 70 

congenital  disease, with  disease  prevalence  of  15–16  per million  live  births,  that  is  characterized  by 71 

cranial, neural,  limb, and visceral malformations23. Over 99% of Apert cases are associated with one of 72 

two missense mutations, S252W and P253R, on Fibroblast Growth Factor Receptor 2  (FGFR2)24,25. The 73 

mutations  occur  on  neighbouring  amino  acids  on  the  linker  region  between  the  second  and  third 74 

extracellular  immunoglobulin  domains  of  FGFR2,  and  alter  the  ligand‐binding  specificity  of  the 75 

receptors26,27.  Thus,  the  FGF  receptors  are  activated  inappropriately,  altering  the  entire  FGF/FGFR 76 

signalling  pathway  and  causing  dysmorphologies  of  different  organs  and  systems28.  Apert  syndrome 77 

shares craniofacial dysmorphologies with other craniosynostosis syndromes but is differentiated on the 78 

basis of  limb defects of  fore‐ and hindlimb digits. The craniofacial dysmorphology of Apert syndrome 79 

(i.e. premature closure of cranial sutures   and patent anterior fontanelle associated with atypical head 80 

shape, midfacial  retrusion and palatal defects)23 has been  intensively  investigated, especially because 81 

mouse models show cranial phenotypes that correspond with the human condition29–33. However, the 82 

associated limb defects are less well studied, in part because mouse models for Apert syndrome present 83 

only subtle  limb anomalies34–36, even  in  those carrying  the FGFR2 P253R mutation34  that  is associated 84 

with the more severe limb malformations in Apert syndrome37,38. 85 

Here we present precise phenotyping of limbs of newborn and embryonic specimens of the Fgfr2+/P253R 86 

Apert syndrome mouse model and reveal significant differences that can be traced to as early as one 87 

day after the initiation of limb development. To explore the molecular basis of these initial signs of limb 88 

dysmorphology we applied our method combining OPT and GM  to assess the expression pattern of a 89 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 4: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

4  

direct  target  of  Fgf  signalling,  Dusp6,  a  relevant  gene  for  limb morphogenesis39,40. Our  quantitative 90 

analyses demonstrate that the Apert syndrome Fgfr2 P253R mutation induces changes in the expression 91 

pattern of Dusp6 and that these genetic changes are associated with significant phenotypic alterations. 92 

These results provide insight into the origins of limb malformations in Apert syndrome.  93 

 94 

Results 95 

Apert  syndrome  mice  present  limb  malformations  at  birth.  Previous  studies  reported  that  Apert 96 

syndrome mice  do  not  show  obvious  abnormalities  of  the  limb35,  and  thus  focused  their molecular 97 

analyses on  the  skull34. Histopathological analyses  in Apert  syndrome mice only  revealed overall  limb 98 

shortening  due  to  abnormal  osteogenic  differentiation,  but  no  signs  of  limb  disproportion  or 99 

syndactyly34,36. As a further test of whether or not the Fgfr2 P253R mutation affects limb development in 100 

mice, we first performed an extensive quantitative analysis of the size and shape of individual forelimb 101 

bones  using  data  from  high  resolution  microCT  images  of  newborn  (P0)  mutant  and  unaffected 102 

littermates  (Fig. 1a‐f). Our  results  revealed many more  significant differences between P0 unaffected 103 

and Fgfr2+/P253R mutant  littermates  than previously  reported. We  found  that  the humerus,  radius and 104 

ulna were  statistically  significantly  shorter  in  length  but  had  increased  bone  volumes  in  Fgfr2+/P253R 105 

mutant mice  in  comparison  to  unaffected  littermates  (Fig.  1g  and  Table  SI_1). More  localized  size 106 

differences were detected in the bones derived from the autopod that give rise to the hands. The distal 107 

phalanx of digit I, the proximal phalanx of digit V, and metacarpals II, III and IV were significantly longer 108 

in  Fgfr2+/P253R mutant mice  (Fig. 1g  and Table  SI_1).  In  contrast,  the proximal phalanx of digit  III was 109 

shorter and lower in bone volume in Fgfr2+/P253R Apert syndrome mice relative to unaffected littermates 110 

(Fig. 1g and Table SI_1). The scapula and the clavicle, the bones that form the shoulder girdle, were also 111 

significantly affected: the scapula was longer, the clavicle was shorter and both bones showed increased 112 

bone  volumes  in  Fgfr2+/P253R  Apert  syndrome mice  (Fig.  1g  and  Table  SI_1)  compared  to  unaffected 113 

littermates. 114 

The  PCA  based  on  the  shape  of  the  humerus  did  not  show  marked  shape  differences  between 115 

unaffected and Fgfr2+/P253R Apert syndrome mice (Fig. 1h). However, the PCA of the scapula indicated a 116 

clear morphological differentiation between groups (Fig. 1i). The scapula of Fgfr2+/P253R Apert syndrome 117 

mice  presented  a more  robust  phenotype,  with  wider  and  longer  scapulae  in  comparison  to  their 118 

unaffected littermates.  119 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 5: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

5  

Overall,  these  size  and  shape differences demonstrate  that  Fgfr2+/P253R Apert  syndrome mice present 120 

widespread and significant limb dysmorphologies at P0 that were not previously reported and would not 121 

have been revealed without quantitative statistical testing. Some defects have a direct correspondence 122 

with the human phenotype, such as shoulder anomalies and short humeri24. However, in newborn mice 123 

we did not detect any clear sign of syndactyly, which is the most prominent limb defect in people with 124 

Apert  syndrome41,42.  Since  the  forelimb  of mice  is  not  yet  completely  ossified  at  P0  and  Fgfr2+/P253R 125 

mutant littermates die shortly after birth, we could not assess whether other limb abnormalities appear 126 

later in development.  127 

 128 

A quantitative morphometric method to assess embryonic gene expression patterns. To determine the 129 

developmental basis of  the  limb anomalies quantified  in newborn mice, we developed a quantitative 130 

method  to explore  early embryonic  limb development.  First,  to  visualize  the expression pattern of  a 131 

downstream  target  of  Fgfr2, we  obtained OPT  scans  of  Fgfr2+/P253R Apert  syndrome mouse  embryos 132 

analysed  with  WISH  to  reveal  Dusp6  expression  (Fig.  2).  Qualitative  assessment  of  the  3D 133 

reconstructions showed that Dusp6 was widely expressed throughout the embryo from embryonic day 134 

(E) 10.5 to E11.5, with highest  intensity  in the  limbs, the head and the spinal cord  (Fig. 2). Dusp6 was 135 

also expressed  in  the heart with moderate  intensity. Visually comparing  the distribution of the Dusp6 136 

gene expression pattern  it was possible  to distinguish between embryos at E10.5 and E11.5 stages of 137 

development.  At  E10.5,  Dusp6 was  prominently  expressed  in  the  facial  prominences  and  along  the 138 

entire  spinal  cord, whereas at E11.5  the expression of Dusp6 was more widespread  in  the brain and 139 

limited to the tail. Focusing on the  limbs, the expression of Dusp6 at the two different stages was also 140 

readily distinguishable, with Dusp6 expression domains thinning into a more extended domain along the 141 

limb  outline  as  the  limb  buds  grow  from  E10.5  to  E11.5  (Fig.  2). However,  due  to  large  amount  of 142 

developmental  variation  within  litters,  Fgfr2+/P253R  mutant  and  unaffected  littermates  were  not 143 

distinguishable from each other (Fig. 2). 144 

Quantitative  testing  was  thus  required  to  more  accurately  evaluate  limb  alterations  potentially 145 

associated with Apert syndrome but undetectable by eye. We developed a method for 3D shape analysis 146 

of  the  limb  and  associated  gene  expression  pattern  of Dusp6  (Fig.  3  and  Video  SI_1).  This  protocol 147 

enabled  us  to  determine  differences  in  limb  size  and  shape  between  genotype  groups  and whether 148 

these  phenotypic  differences  are  associated  with  altered  gene  expression  patterns  (Fig.  3).  Our 149 

approach  uses  GM  methods  to  directly  measure  the  limb  anatomy  and  gene  expression  domains 150 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 6: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

6  

segmented  from  the 3D  reconstructions of  the embryo OPT  scans. As expression of Dusp6  showed a 151 

fuzzy  spatial  gradient, multiple  thresholding was  used  to  consistently  define  a  high  gene  expression 152 

pattern  (Fig.  3,  steps  from  1  to  5). After manual  and  semiautomatic  recording  of  3D  coordinates  of 153 

landmarks on the surfaces of the limb and the gene expression domains blinded to group allocation (Fig. 154 

3,  step  6), multivariate  statistical  analyses were  performed  to  explore  shape  and  size  variation  and 155 

covariation patterns between the limb morphology and the Dusp6 domain (Fig. 3, steps 7 and 8). 156 

The  first  signs of  limb dysmorphology  in Apert  syndrome. Since gene expression patterns are highly 157 

dynamic and rapidly change in size, shape and position within a few hours of development15, individual 158 

limb buds  from Fgfr2+/P253R mutant embryos and their unaffected  littermates aged between E10.5 and 159 

E11.5  were  staged  using  a  fine‐resolution  staging  system  (http://limbstaging.crg.es)43.  The  staging 160 

results  showed  that  the  analysed  limbs  represent  a  temporal  continuum over development, with no 161 

significant differences between the staging of unaffected and mutant littermates of the same litter (Fig. 162 

SI_1). We  partitioned  the  time  span  from  E10  to  E11.5  into  four  periods,  each  one  approximately 163 

representing  12  hours  of  development  (see  Table  SI_2  and Methods  for  further  details  on  sample 164 

composition). The analysis of  the complete dataset  that considers hindlimbs and  forelimbs  from each 165 

litter separately is available as Supplementary Information.  166 

We  first  focused  on  analysing  limb  dysmorphology,  aiming  to  determine  the  youngest  stage which 167 

showed morphological differences between mutant and unaffected  limbs. To  trace  limb development 168 

back  in  time we  first analysed embryos  from  the oldest period  (as  the differences would be easier to 169 

find) and from there proceeded towards the earlier (younger) periods. In this way we should confidently 170 

identify the initiation of limb dysmorphogenesis associated with the Fgfr2 P253R mutation determining 171 

using geometric morphometric methods. 172 

During the “Late” period, we detected that Fgfr2+/P253R mice were already clearly separated  from their 173 

unaffected littermates in the morphospace defined by the Principal Component Analysis (PCA) (Fig. 4a). 174 

Relative  to  their  unaffected  littermates,  limbs  of  Fgfr2+/P253R mice  presented  subtle  phenotypic  limb 175 

differences: limbs were shorter, wider and more robust, with limited development of the wrist (Fig. 4a). 176 

Quantitative  comparison  of  limb  size  showed  that  the  limbs  of mutant mice were  also  significantly 177 

smaller (Fig. 5a and Table SI_3). Overall, these results confirmed that the Fgfr2 P253R Apert syndrome 178 

mutation has an effect on limb development, altering both the size and shape of the limbs. Most likely, 179 

these  subtle but  significant phenotypic differences would have  remained undetected by a qualitative 180 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 7: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

7  

approach. Our quantitative approach revealed their statistical significance and pointed to the origin of 181 

the Apert syndrome limb malformation prior to E11.5, before the “Late” period.  182 

At the “Mid late” period, the limbs of Fgfr2+/P253R mutant mice were still distinguishable from the limbs 183 

of unaffected mice in the morphospace of the PCA (Fig. 4b). At this period, the limbs of Fgfr2+/P253R mice 184 

lacked the antero‐posterior asymmetry and the narrowing of the wrist region more typical of unaffected 185 

littermates. Instead, Fgfr2+/P253R mice showed a limb phenotype that was elongated in the proximo‐distal 186 

axis and thickened in the dorso‐ventral axis (Fig. 4b), resembling the limb shape of younger unaffected 187 

embryos.  This  shape  difference  coincided with  reduced  growth  in  Fgfr2+/P253R mice,  as  the  limbs  of 188 

Fgfr2+/P253R  mice  tended  to  be  smaller  than  unaffected  limbs  (Fig.  5a  and  Table  SI_3).  Therefore, 189 

significant differences between unaffected and mutant  limbs still could be detected at  the “Mid  late” 190 

period of development and the origins of limb defects associated with Apert syndrome should be sought 191 

earlier in development. 192 

The first period where no significant differences could be detected between unaffected and Fgfr2+/P253R 193 

Apert syndrome mice was at the “Mid early” period  (Fig. 4c). Despite  internal variation  in  limb shape, 194 

with Fgfr2+/P253R mice spreading throughout the morphospace and unaffected littermates concentrated 195 

on  one  region,  mutant  and  unaffected  littermates  completely  overlapped.  Therefore,  limb  shape 196 

differences  could  no  longer  be  detected  between  groups.  Limb  size  differences were  not  significant 197 

either  (Fig.  5a  and  Table  SI_3).  Therefore,  our  results  suggest  that  the  critical  time  point  of  limb 198 

dysmorphogenesis associated with Apert syndrome occurred between the “Mid  late” and “Mid early” 199 

periods, corresponding to the transition period from E10.5 to E11 (Fig. 4b‐c). 200 

Finally, no further sign of limb shape dysmorphology was detected at the “Early” period of development 201 

(Fig.  4d).  At  this  period  there  was  a  great  range  of  developmental  variation,  with  unaffected  and 202 

Fgfr2+/P253R mutant mice  completely  overlapping  in  the morphospace  and  all  limbs  displaying  similar 203 

incipient bud shapes (Fig. 4d). The  limbs of Fgfr2+/P253R mice were significantly  larger than the  limbs of 204 

their unaffected  littermates  (Fig. 5a and Table SI_3), suggesting that at this early time point there  is a 205 

significant effect of the Fgfr2 P253R mutation on limb size but not on limb shape (Fig. 5a).  206 

Fgfr2 Apert syndrome mutation  leads to aberrant overexpression of Dusp6 domains. We decided to 207 

obtain direct evidence of altered genetic regulation that could explain the observed limb phenotype by 208 

analyzing  the shape dynamics of Dusp6 expression, a direct  target gene of Fgf signaling. As with  limb 209 

shape, we first examined the gene expression of Dusp6 in the embryos from the latest period. We found 210 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 8: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

8  

that at the “Late” period, Dusp6 expression was already different between Fgfr2+/P253R mutant mice and 211 

unaffected  littermates.  The differences were  significant both  in  shape  (Fig. 4e)  and  size  (Fig.  5b  and 212 

Table SI_3).  In the  limbs of unaffected mice, the Dusp6 expression domain appeared as a thin domain 213 

underlying  the  apical  ectodermal  ridge, whereas  in  Fgfr2+/P253R mutant mice  the  shape  of  the Dusp6 214 

domain  was  expanded  in  all  directions  (Fig.  4e).  Accordingly,  the  volume  of  the  Dusp6  expression 215 

domain was significantly larger in Apert syndrome mice (Fig. 5b and Table SI_3), even when these mice 216 

presented  significantly  smaller  limbs  (Fig.  5a).  The  Dusp6  expression  domain  thus  grew 217 

disproportionately in the limbs of Fgfr2+/P253R mutant mice in the latest period of development (Fig. 4e), 218 

which  is consistent with a reported whole‐body size reduction  in Fgfr2+/P253R Apert mice and the over‐219 

activation of Fgfr2 signaling by the Apert syndrome mutation27,44. 220 

At  the  “Mid  late” period, an expanded Dusp6 expression domain persisted on  the dorsal and ventral 221 

sides of mutant limbs, but was reduced on the anterior and posterior sides (Fig. 4f). The overall volume 222 

of the Dusp6 expression domains remained larger in Fgfr2+/P253R mutant mice, but the difference was no 223 

longer statistically significant (Fig. 5b and Table SI_3).  224 

At  the  “Mid  early”  period,  the  separation  between  unaffected  and  Fgfr2+/P253R  mutant  mice  was 225 

maintained in the PCA analysis (Fig. 4g). Unaffected mice showed a Dusp6 expression domain expanded 226 

towards  the  anterior  and posterior  edges of  the  expression domain  (Fig.  4g).  In  contrast,  Fgfr2+/P253R 227 

mutant mice did not show the extension and the posterior asymmetry of the Dusp6 expression domain 228 

typical  of  normal  limb  development,  suggesting  a  lack  of  differentiation  in  the Dusp6  expression  of 229 

mutant limbs (Fig. 4g).  230 

Finally,  the  “Early” period was  the only  time point where we did not detect  a  significant  separation 231 

between unaffected and Fgfr2+/P253R mice (Fig. 4h). The PCA showed variation in the expression domains 232 

of Dusp6, with similar gene expression patterns in both shape (Fig. 4h) and size (Fig. 5b and Table SI_3) 233 

across all mice. Therefore, the first observation of an alteration in the gene expression pattern (Fig. 4g) 234 

occurred earlier than the alteration  in the  limb shape change (Fig. 4b). Our analyses provide evidence 235 

that  differences  in  the  Dusp6  gene  expression  pattern  occurred  first,  at  the  “Mid  early  period”, 236 

preceding the phenotypic limb differentiation, which occurred a few hours later in development, during 237 

the “Mid late period”. Overall, the time course showing the dynamics of limb and gene expression shape 238 

changes  over  development  (Figs.  4,  5  and  SI_3,  4  and  5)  confirmed  that  the  Fgfr2  Apert  syndrome 239 

mutation  causes  an  aberrant  overexpression  of Dusp6  early  in development  that  could  later  lead  to 240 

significant limb malformations. 241 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 9: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

9  

Altered  Dusp6  expression  and  limb  dysmorphology  are  highly  associated.  Finally, we  explored  the 242 

correlation  patterns  between  the  limb  phenotype  and  the  gene  expression  pattern  to  further  test 243 

whether altered Fgf signaling underlies the limb malformations induced by Apert syndrome Fgfr2 P253R 244 

mutation. First, we assessed the relationship between the size of the limbs and the volume of the Dusp6 245 

expression domain pooling all the forelimbs and hindlimbs and assessing the correlation between these 246 

two traits (Fig. 5c, d). The trend line showed that for the same limb size, Fgfr2+/P253R mutant mice showed 247 

larger Dusp6 expression domains, both in forelimbs (R2=0.4) and hindlimbs (R2=0.6). If the extension of 248 

the Dusp6 expression only depended on  limb growth, a high correlation between  the size of  the  limb 249 

and the gene would be expected. However, the moderate correlation found here suggests that the size 250 

of the Dusp6 gene expression is not dependent solely on limb size but is also influenced by other factors 251 

and could be under further genetic regulatory control. 252 

Second, we assessed the morphological integration between the shape of the limbs and the shape of the 253 

Dusp6 expression domain. The statistical analysis of the covariance pattern between these shapes can 254 

reflect the  interaction of the phenotype and the gene expression pattern during  limb development. As 255 

shown  by  analysis  of  additional  genes  expressed  during  limb  development15,  even  when  a  gene  is 256 

expressed within the limb, the shape of the limb and the shape of the gene expression domain are not 257 

correlated  by  definition,  and  the  integration  pattern  can  change  from  a  strong  association  to  no 258 

significant correlation within few hours of development15. The dynamics of the  integration pattern can 259 

identify the key periods during which the expression of a gene is relevant for determining the shape of 260 

the  limb.  If the morphological  integration  is  low, the expression of the gene will not be as relevant for 261 

the shape of the limb as if the integration is high. If the integration is low, the impact of the altered gene 262 

expression on the phenotype will be minimal. If the morphological integration is high, the impact of the 263 

genetic mutation will be maximized (i.e., changes of the gene expression pattern will produce changes in 264 

the limb shape). Our results showed that the shape of the limb and the shape of the Dusp6 domain were 265 

indeed highly correlated (RV=0.88  in forelimbs; RV=0.91  in hindlimbs). This  is evidence that altered Fgf 266 

signaling  induced by  the  Fgfr2 P253R Apert  syndrome mutation will have a direct effect on  the  limb 267 

phenotype.  268 

By comparing the morphological  integration pattern  in mutant and unaffected  littermates at different 269 

periods,  we  can  test  whether  this  interaction  is  maintained  or  disrupted  by  the  disease  during 270 

development. If the pattern or magnitude of morphological integration was different in mutant mice, it 271 

would reveal further mechanisms underlying the etiology of the disease. Our analyses showed that the 272 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 10: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

10  

pattern of morphological  integration of the shape of the  limbs and the shape of the Dusp6 expression 273 

domains  was  similar  in  unaffected  and  Fgfr2+/P253R mutant mice  (Fig.  5e  and  Fig  SI_6).  Our  results 274 

confirmed that the Fgfr2 P253R mutation does not disrupt the strong association between  limb shape 275 

and the Dusp6 expression domain. Therefore, the alteration of the Dusp6 expression pattern caused by 276 

the Fgfr2 mutation between E10 and E11.5 will produce the limb dysmorphologies associated with Apert 277 

syndrome.  Overall,  the  high  correlation  between  the  shapes  of  the  limb  and  the  Dusp6  expression 278 

domain  provides  further  evidence  that  altered  Fgf  expression  due  to  the  Fgfr2 mutation  is  strongly 279 

associated with limb defects in Apert syndrome. 280 

 281 

Discussion 282 

By definition, to reveal the primary etiology of an abnormality requires going back in time to the earliest 283 

moment when abnormal development  can be  found. Typically,  the earliest  changes will be  the most 284 

subtle, and so the most statistically sensitive techniques are necessary. The methods currently used to 285 

assess gene expression patterns are mainly qualitative and only focus on the shape and size differences 286 

that can be simply detected by eye. Therefore, slight changes in gene expression domains, even if they 287 

may have large effects on the phenotype45, can remain undetected. To reveal these subtle changes we 288 

have developed a precise method combining OPT and GM for quantifying embryo morphology and the 289 

underlying 3D gene expression patterns in a systematic, objective manner. This enables visualization and 290 

quantification of how  the genotype  translates  into  the phenotype during embryonic development,  to 291 

compare  normal  and  disease‐altered  patterns  of  genetic  and  phenotypic  variation  and,  eventually, 292 

identify  the origins of  abnormal morphogenesis. This  approach  can  further our understanding of  the 293 

etiology of  genetic  diseases  in  research using  animal models46,47,  even  in  those  that do not  seem  to 294 

recapitulate the human disease faithfully48.  295 

Our  study  of  the  Fgfr2  P253R  mouse  model  for  Apert  syndrome  is  an  exemplary  case  of  how 296 

quantitative  assessment  can  overcome  the  shortcomings  of  traditional  qualitative  morphological 297 

assessment  and  lead  to  new  discoveries.  So  far,  the  molecular  and  developmental  mechanisms 298 

underlying the  limb defects associated with Apert syndrome remained obscure, even when these  limb 299 

abnormalities  clinically  differentiate  Apert  syndrome  from  other  craniosynostosis  syndromes  (e.g. 300 

Pfeiffer,  Crouzon  and  Saethre‐Chotzen  syndromes)23,24,41. Most  Apert  syndrome  research  focused  on  301 

premature  fusion  of  cranial  sutures  and  craniofacial  malformations23,29–33,  clinical  traits  that  are 302 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 11: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

11  

consistently phenocopied  in mouse models. However,  little  research  about  the  limb defects  in Apert 303 

syndrome has been done using the same animal models, mainly because previous research reported the 304 

absence or  subtle malformation of  the  limbs  in  the different mouse models  for Apert  syndrome34–36. 305 

Contrary to these previous results, our quantitative morphometric analyses demonstrate that the limbs 306 

of Fgfr2+/P253R Apert syndrome mice present with significant defects that are detectable in newborn mice 307 

and can be traced back to early embryogenesis (Figs. 1, 4 and 5).  308 

Our analyses provide  insight  into  the genetic origins of  these  limb defects, showing  that altered gene 309 

expression patterns  in the Fgf signaling pathway precede and contribute to  limb dysmorphogenesis  in 310 

Fgfr2+/P253R Apert syndrome mice. In fact, we detected that Dusp6 expression patterns were different in 311 

unaffected and mutant littermates a few hours before the first limb dysmorphologies appeared (Fig. 4), 312 

and  confirmed  that  limb  shape  and Dusp6  expression  patterns were  highly  correlated  (Fig.  5e).  The 313 

altered Fgf signaling observed was due to the Fgfr2 P253R Apert syndrome mutation, which causes loss 314 

of  ligand  specificity of  the Fgfr2  isoform and  increased affinity of various  Fgfs  to Fgfr2. Our analyses 315 

showed that over‐activation of the Fgf signaling pathway results in more expanded (Fig. 4e‐g) and larger 316 

(Fig. 5b) expression domains of Dusp6, a gene that acts as a negative‐feedback control of Fgf signaling49. 317 

A delay in misregulation of the expression of Dusp6 may explain the lack of antero‐posterior asymmetry 318 

and  the shape deficiencies observed  in Fgfr2+/P253R mutant mice  (Fig. 4). We  found evidence  that  limb 319 

shape and Dusp6 expression were highly associated  (Fig. 5c‐e), but  it  is  likely  that other downstream 320 

genes of  the  Fgf  signaling pathway  also  contribute  to  the  limb  shape malformations  associated with 321 

Apert syndrome.  322 

Our analyses also demonstrated that the embryonic  limb defects persisted until birth (Fig. 1) and thus 323 

did  not  disappear  over  development.  For  instance, we  found  that  Fgfr2+/P253R  Apert  syndrome mice 324 

presented postnatal  limb malformations  involving the shape,  length and volume of many bones of the 325 

forelimb,  including  the  scapula,  humerus,  ulna,  radius, metacarpals  and  phalanges  (Fig.  1  and  Table 326 

SI_1). Though subtle, these malformations suggest that further research  into the origins and causes of 327 

limb dysmorphologies in Apert syndrome using these and other mouse models is warranted.  328 

Our quantitative  approach  could be  similarly  applied  to  investigate other developmental defects and 329 

dysmorphologies 50. OPT and GM can be potentially used to analyze any organ and animal model that 330 

can  be  visualized  during  development  using  light microscopy,  and  any  gene whose  gene  expression 331 

pattern can be detected by WISH and show a continuous expression domain over development15. We 332 

exemplified  the  method  analyzing  limb  defects  in  mouse  models,  but  it  could  be  applied  to 333 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 12: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

12  

malformations affecting other organs such as the face, the brain, the heart, etc, in mouse models as well 334 

as  in any other  vertebrate animal model,  such as  zebrafish,  chicken and Xenopus. This  is  relevant as 335 

major  developmental  defects  represent  a  leading  cause  of  infant  mortality  and  affect  a  small  but 336 

relevant percentage of the population, severely compromising their quality of life3. 337 

Through  its  increased  quantitative  sensitivity,  our method  has  allowed  us  to  reveal  that  the mouse 338 

model  for  Apert  syndrome  does  indeed  show  early  defects  in  limb  development. We  detected  that 339 

dysregulation  of  an  Fgf  target  gene  precedes  measurable  changes  in  limb  bud  morphology,  thus 340 

identifying  a  relevant  component  of  its  genetic  etiology.  Quantitative  evaluation  of  size  and  shape 341 

should  thus  be  performed  before  discarding  any  animal  models  as  useful  for  investigating  human 342 

congenital  malformations51.  Our  method  has  the  potential  to  become  a  high‐throughput  tool  for 343 

biomedical  research,  providing  insight  into  the  processes  that  cause  malformations  and  lead  to 344 

malfunction, which is essential for understanding diseases and discovering potential therapies. 345 

 346 

Methods 347 

Mouse model. We analysed the Fgfr2+/P253R Apert syndrome mouse model, an inbred model backcrossed 348 

on C57BL/6J genetic background for more than 10 generations carrying a mutation that in humans with 349 

Apert  syndrome  is  associated with more  severe  syndactyly.  This  gain  of  function mutation, which  is 350 

embryonically lethal in homozygosis, involves a proline to arginine amino acid change at position 253 of 351 

the Fgfr2 protein that alters the ligand binding specificity of the receptor and causes a stronger receptor 352 

signaling.  Further  details  of  the  mouse  model  on  generation  of  targeting  construct  can  be  found 353 

elsewhere34.  All  the  experiments were  performed  in  compliance with  the  animal welfare  guidelines 354 

approved  by  the  Pennsylvania  State  University  Animal  Care  and  Use  Committees  (IACUC46558, 355 

IBC46590). 356 

Micro‐CT  imaging.  High  resolution  micro‐computed  tomography  (μCT)  scans  were  acquired  by  the 357 

Center  for Quantitative  Imaging at the Pennsylvania State University  (www.cqi.psu.edu) using  the HD‐358 

600 OMNI‐X high‐resolution X‐ray  computed  tomography  system  (Varian Medical  Systems, Palo Alto, 359 

CA). Pixel sizes  ranged  from 0.01487  to 0.01503 mm, and all slice  thicknesses were 0.016 mm.  Image 360 

data were reconstructed on a 1024×1024 pixel grid as a 16‐bit TIFF. To reconstruct forelimb morphology 361 

from the μCT  images,  isosurfaces were produced with median  image filter using the software package 362 

Avizo 6.3 (Visualization Sciences Group, VSG) (Fig. 1a‐f).  363 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 13: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

13  

Morphometrics  in  P0 mice. We  assessed  forelimb  morphology  at  P0  using  unaffected  (n=10)  and 364 

mutant (n=12)  littermates of Apert syndrome mouse models. A set of 16  landmarks were collected on 365 

each  left forelimb, including points on the main bones of the forelimb (phalanges, metacarpals, radius, 366 

ulna,  humerus,  scapula  and  clavicle),  as  shown  in  Fig.  1b‐f.  To minimize measurement  error,  each 367 

landmark was collected twice by the same observer restricting the deviations between the two trials to 368 

0.05 mm. 369 

At P0, we estimated the dimensions of the long bones of the forelimbs using the 3D coordinates of the 370 

landmarks located at the proximal and distal ends of the bones (Fig. 1b‐f). We also estimated the bone 371 

volumes from volume data collected from the μCT scans. To assess size differences  in bone  length and 372 

bone volume between mutant and unaffected P0 mice of the Fgfr2+/P253R Apert syndrome mouse model, 373 

we performed a two‐tailed one‐way ANOVA on those variables showing a normal distribution, and the 374 

non‐parametric Mann‐Whitney U‐Test on those variables that deviated from a normal distribution. The 375 

shape of the humerus and the scapula was comparatively assessed  in unaffected and Fgfr2+/P253R Apert 376 

syndrome  littermates  using  Geometric  Morphometrics.  Shape  information  was  extracted  using  a 377 

General Procrustes Analysis (GPA)52, in which configurations of landmarks are superimposed by shifting 378 

them to a common position, rotating and scaling them to a standard size until a best fit of corresponding 379 

landmarks  is achieved53. The resulting Procrustes coordinates from the GPA were the  input for further 380 

statistical analysis  to  compare  the  shape of  the bones  in unaffected and Fgfr2+/P253R mice. A Principal 381 

Component  Analysis  (PCA) was  used  to  explore  the morphological  variation within  each  bone.  PCA 382 

performs an orthogonal decomposition of the data and transforms variance covariance matrices  into a 383 

smaller number of uncorrelated variables called Principal Components (PCs), which successively account 384 

for the largest amount of variation in the data20. Each specimen is scored for every principal component 385 

and the specimens can be plotted using these scores along the morphospace defined by  the principal 386 

axes. 387 

WISH and OPT scanning. To examine early embryonic mouse limb development in Apert syndrome we 388 

bred 4  litters of the   Fgfr2+/P253R Apert syndrome mouse model and collected them between E10.5 and 389 

E11.5.  In  total, 32 mouse  embryos were harvested  and  classified by PCR  genotyping  into unaffected 390 

(n=16) and mutant (n=16) littermates (see Fig. SI_1 and Table SI_2 for further details on sample size and 391 

composition).  Dusp6  gene  expression  was  assessed  by  Whole‐Mount‐In‐Situ  Hybridization  (WISH). 392 

Mouse embryos were dissected in cold phosphate‐buffered saline, 0.1% tween 20 (PBT), fixed overnight 393 

in 4% paraformaldehyde  (Sigma), dehydrated  in a graded PBT/methanol series and stored at  ‐20ºC  in 394 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 14: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

14  

methanol.  The mouse  embryos  recovered  their original  size  after  rehydration  in decreasing  series of 395 

methanol/PBT. WISH was carried out using Dusp6 antisense RNA probes  labelled with digoxigenin‐UTP 396 

(Roche),  following  standard  protocols7.  Alkaline  phosphatase  coupled  anti‐digoxigenin  (anti‐DIG‐AP, 397 

Roche)  and  NBT/BCIP  staining  (Roche)  were  used  to  reveal  the  expression  pattern  for  Dusp6.  To 398 

minimize variations during experimental procedures, all embryos were processed systematically within 399 

the same batch, processing unaffected and mutant  littermates from different  litters  in separate tubes, 400 

but simultaneously using the same probe, timings and concentration reagents.  401 

After embedding  in agarose, dehydrating  in methanol and chemically clearing the samples with benzyl 402 

alcohol and benzyl benzoate (BABB), the stained whole embryos were scanned with both fluorescence 403 

and  transmission  light with a CFP  (Cyan Fluorescent Protein)  filter using our home‐build OPT  imaging 404 

system mounted  on  a  Leica MZ  16  FA microscope5.  The  embryos were  3D‐reconstructed  from  the 405 

resulting  2D  images  using Matlab  and  visualized  using Amira  6.3  (Visualization  Sciences Group,  FEI). 406 

From  the  OPT  fluorescence  scans  we  produced  3D  reconstructions  of  the  embryo  surface  and  we 407 

dissected the available right and left fore‐ and hind limbs of each specimen, resulting in a sample of 101 408 

embryonic  limbs  (Table  SI_2).  From  the OPT  transmission  scans, we  recovered  the Dusp6  expression 409 

domain. As Dusp6  is expressed  in a fuzzy spatial gradient, as already shown by other genes15, we used 410 

3D multiple  thresholding  to  visualize  the  gene  expression  domain  at  different  intensities  (Fig.  3  and 411 

Video SI_1). To comparatively analyse the gene expression domains across the sample, we inspected for 412 

each  limb  the whole  range of  threshold values under which  the gene expression  could be visualized, 413 

from the threshold showing its first appearance to the threshold under which it disappeared and was no 414 

longer detectable. We analysed the 3D reconstruction based on a threshold computed as 1/3 of the last 415 

grey  value  showing  the  Dusp6  expression  domain,  which  displayed  a  Dusp6  domain  at  high  gene 416 

expression (Fig. 3, step 3). Finally, we obtained 80 limbs (46 forelimbs and 34 hindlimbs) with associated 417 

gene expression patterns for Dusp6. 418 

Embryo staging. To account for breeding and developmental variation, individual limb buds were staged 419 

using  our  publicly  available  web‐based  staging  system  (http://limbstaging.crg.es)43.  Considering  the 420 

spline curve along the outline of the limb, this tool provides a stage estimate with a reproducibility of ± 2 421 

hours. According to the staging results, the different mouse litters were ordered following a continuous 422 

temporal sequence from E10 to E11.5 (Fig. SI_1). To minimize high developmental variation within and 423 

among  litters of mice, hindlimbs and  forelimbs  from each  litter were analysed  separately, except  for 424 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 15: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

15  

those  from  two  litters  from  the  earliest  stage  that were  pooled  into  the  same  group  because  their 425 

temporal distribution completely overlapped, as shown in Fig. SI_1. 426 

Morphometrics  from  E10  to  E11.5.  To  capture  the  size  and  shape  of  the  limbs  and  the  expression 427 

domains  of  Dusp6,  we  collected  a  set  of  anatomical  landmarks  as  well  as  curve  and  surface 428 

semilandmarks  (Fig.  SI_2),  as  recommended  in  structures  devoid  of  homologous  landmarks. 429 

Semilandmarks are mathematical points  located along a curve54 or a surface55 within the same object 430 

that  can  be  slid  to  corresponding  equally  spaced  locations  across  the  sample. We  used  Amira  6.3 431 

(Visualization Sciences Group, FEI) to record the anatomical  landmarks and Viewbox 4 (dHAL software, 432 

Kifissia, Greece)  to  construct a  limb  template of  surface and  curve  semilandmarks and  to  interpolate 433 

them onto each target shape (Fig. SI_2).  434 

The 3D  landmark coordinates defining  the  shape of  the  limb and  the Dusp6 expression domain were 435 

analysed using Procrustes‐based landmark analysis54.  Semilandmarks were allowed to slide  in the GPA 436 

by minimizing  the bending energy54–56. Quantitative shape analyses based on PCA were performed as 437 

explained above. 438 

We estimated  the size of  the  limb as  the centroid size, calculated as  the square  root of  the summed 439 

squared  distances  between  each  landmark  coordinate  and  the  centroid  of  the  limb  configuration  of 440 

landmarks53. The volumes of the Dusp6 domains were estimated from the 3D reconstructions of the OPT 441 

scans. Size differences  in  limb size and gene volume between mutant and unaffected embryonic mice 442 

were tested for statistical significance using a two‐tailed Welch Two Sample t‐test. 443 

We  quantified  the  integration  between  the  limb  and  the  Dusp6  expression  pattern  and  produced 444 

visualizations of the patterns of associated shape changes between them using Two‐Block Partial Least 445 

Squares analysis (PLS)57. This method performs a singular value decomposition of the covariance matrix 446 

between the two blocks of shape data (i.e., the  limb and the Dusp6 expression domain). Uncorrelated 447 

pairs  of  new  axes  are  derived  as  linear  combinations  of  the  original  variables,  with  the  first  pair 448 

accounting for the largest amount of inter‐block covariation, the second pair for the next largest amount 449 

and  so  on.  The  amount  of  covariation  is  measured  by  the  RV  coefficient,  which  is  a  multivariate 450 

analogue of the squared correlation58. Statistical significance was tested using permutation tests under 451 

the null hypothesis of complete  independence between the two blocks of variables. Separate analyses 452 

for each developmental period, as well as for forelimbs and hindlimbs of all stages were computed. 453 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 16: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

16  

All the analyses were performed using R (R Development Core Team, 2013; http://www.R‐project.org); 454 

the R package geomorph59 ( http://cran.r‐project.org/web/packages/geomorph), SPSS Statistics 22 (IMB, 455 

2013) and MorphoJ60. 456 

 457 

 458 

References 459 

1.  Andrey, G. & Mundlos, S. The three‐dimensional genome: regulating gene expression during 460 

pluripotency and development. Dev. Camb. Engl. 144, 3646–3658 (2017). 461 

2.  Chan, C. J., Heisenberg, C.‐P. & Hiiragi, T. Coordination of Morphogenesis and Cell‐Fate 462 

Specification in Development. Curr. Biol. CB 27, R1024–R1035 (2017). 463 

3.  Toxicology, N. R. C. (US) C. on D. Developmental Defects and Their Causes. (National Academies 464 

Press (US), 2000). 465 

4.  Rosen, B. & Beddington, R. S. Whole‐mount in situ hybridization in the mouse embryo: gene 466 

expression in three dimensions. Trends Genet. TIG 9, 162–167 (1993). 467 

5.  Sharpe, J. et al. Optical projection tomography as a tool for 3D microscopy and gene expression 468 

studies. Science 296, 541–545 (2002). 469 

6.  Correia, K. M. & Conlon, R. A. Whole‐mount in situ hybridization to mouse embryos. Methods 470 

San Diego Calif 23, 335–338 (2001). 471 

7.  de la Pompa, J. L. et al. Conservation of the Notch signalling pathway in mammalian 472 

neurogenesis. Dev. Camb. Engl. 124, 1139–1148 (1997). 473 

8.  Sharpe, J. Optical projection tomography as a new tool for studying embryo anatomy. J. Anat. 474 

202, 175–181 (2003). 475 

9.  Boot, M. J. et al. In vitro whole‐organ imaging: 4D quantification of growing mouse limb buds. 476 

Nat. Methods 5, 609–612 (2008). 477 

10.  Xu, Q. et al. Correlations Between the Morphology of Sonic Hedgehog Expression Domains and 478 

Embryonic Craniofacial Shape. Evol. Biol. 1–8 (2015). doi:10.1007/s11692‐015‐9321‐z 479 

11.  Hu, D. et al. Signals from the brain induce variation in avian facial shape. Dev. Dyn. Off. Publ. Am. 480 

Assoc. Anat. (2015). doi:10.1002/dvdy.24284 481 

12.  Jernvall, J., Keränen, S. V. & Thesleff, I. Evolutionary modification of development in mammalian 482 

teeth: quantifying gene expression patterns and topography. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 97, 14444–483 

14448 (2000). 484 

13.  Salazar‐Ciudad, I. & Jernvall, J. A computational model of teeth and the developmental origins of 485 

morphological variation. Nature 464, 583–586 (2010). 486 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 17: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

17  

14.  Mayer, C., Metscher, B. D., Müller, G. B. & Mitteroecker, P. Studying developmental variation 487 

with Geometric Morphometric Image Analysis (GMIA). PloS One 9, e115076 (2014). 488 

15.  Martínez‐Abadías, N., Mateu, R., Niksic, M., Russo, L. & Sharpe, J. Geometric Morphometrics on 489 

Gene Expression Patterns Within Phenotypes: A Case Example on Limb Development. Syst. Biol. 65, 194–490 

211 (2016). 491 

16.  Airey, D. C., Wu, F., Guan, M. & Collins, C. E. Geometric morphometrics defines shape 492 

differences in the cortical area map of C57BL/6J and DBA/2J inbred mice. BMC Neurosci. 7, 63 (2006). 493 

17.  James Rohlf, F. & Marcus, L. F. A revolution morphometrics. Trends Ecol. Evol. 8, 129–132 494 

(1993). 495 

18.  Wiley: Statistical Shape Analysis ‐ Ian L. Dryden, Kanti V. Mardia. Available at: 496 

http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd‐0471958166.html. (Accessed: 14th September 497 

2015) 498 

19.  Klingenberg, C. P. Evolution and development of shape: integrating quantitative approaches. 499 

Nat. Rev. Genet. 11, 623–635 (2010). 500 

20.  Hallgrimsson, B. et al. Morphometrics, 3D Imaging, and Craniofacial Development. Curr. Top. 501 

Dev. Biol. 115, 561–597 (2015). 502 

21.  Adams, D. C., Rohlf, F. J. & Slice, D. E. A field comes of age: geometric morphometrics in the 21st 503 

century. Hystrix Ital. J. Mammal. 24, 7–14 (2013). 504 

22.  Klingenberg, C. P. Morphometrics and the role of the phenotype in studies of the evolution of 505 

developmental mechanisms. Gene 287, 3–10 (2002). 506 

23.  Craniosynostosis: Diagnosis, Evaluation, and Management. (Oxford University Press, 2000). 507 

24.  Park, W. J. et al. Analysis of phenotypic features and FGFR2 mutations in Apert syndrome. Am. J. 508 

Hum. Genet. 57, 321–328 (1995). 509 

25.  Wilkie, A. O. M. et al. Apert syndrome results from localized mutations of FGFR2 and is allelic 510 

with Crouzon syndrome. Nat. Genet. 9, ng0295‐165–165 (1995). 511 

26.  Yu, K., Herr, A. B., Waksman, G. & Ornitz, D. M. Loss of fibroblast growth factor receptor 2 512 

ligand‐binding  specificity in Apert syndrome. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 97, 14536–14541 (2000). 513 

27.  Yu, K. & Ornitz, D. M. Uncoupling fibroblast growth factor receptor 2 ligand binding specificity 514 

leads to Apert syndrome‐like phenotypes. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 98, 3641–3643 (2001). 515 

28.  McIntosh, I., Bellus, G. A. & Jab, E. W. The pleiotropic effects of fibroblast growth factor 516 

receptors in mammalian development. Cell Struct. Funct. 25, 85–96 (2000). 517 

29.  Martínez‐Abadías, N. et al. Beyond the closed suture in apert syndrome mouse models: 518 

evidence of primary effects of FGFR2 signaling on facial shape at birth. Dev. Dyn. Off. Publ. Am. Assoc. 519 

Anat. 239, 3058–3071 (2010). 520 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 18: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

18  

30.  Hill, C. A. et al. Postnatal brain and skull growth in an Apert syndrome mouse model. Am. J. Med. 521 

Genet. A. 161A, 745–757 (2013). 522 

31.  Holmes, G. et al. Early onset of craniosynostosis in an Apert mouse model reveals critical 523 

features of this pathology. Dev. Biol. 328, 273–284 (2009). 524 

32.  Heuzé, Y. et al. Morphological comparison of the craniofacial phenotypes of mouse models 525 

expressing the Apert FGFR2 S252W mutation in neural crest‐ or mesoderm‐derived tissues. Bone 63, 526 

101–109 (2014). 527 

33.  Holmes, G. & Basilico, C. Mesodermal expression of Fgfr2S252W is necessary and sufficient to 528 

induce craniosynostosis in a mouse model of Apert syndrome. Dev. Biol. 368, 283–293 (2012). 529 

34.  Wang, Y. et al. Activation of p38 MAPK pathway in the skull abnormalities of Apert syndrome 530 

Fgfr2(+P253R) mice. BMC Dev. Biol. 10, 22 (2010). 531 

35.  Chen, L., Li, D., Li, C., Engel, A. & Deng, C.‐X. A Ser252Trp [corrected] substitution in mouse 532 

fibroblast growth factor receptor 2 (Fgfr2) results in craniosynostosis. Bone 33, 169–178 (2003). 533 

36.  Wang, Y. et al. Abnormalities in cartilage and bone development in the Apert syndrome 534 

FGFR2(+/S252W) mouse. Dev. Camb. Engl. 132, 3537–3548 (2005). 535 

37.  Slaney, S. F. et al. Differential effects of FGFR2 mutations on syndactyly and cleft palate in Apert 536 

syndrome. Am. J. Hum. Genet. 58, 923–932 (1996). 537 

38.  von Gernet, S., Golla, A., Ehrenfels, Y., Schuffenhauer, S. & Fairley, J. D. Genotype‐phenotype 538 

analysis in Apert syndrome suggests opposite effects of the two recurrent mutations on syndactyly and 539 

outcome of craniofacial surgery. Clin. Genet. 57, 137–139 (2000). 540 

39.  Kawakami, Y. et al. MKP3 mediates the cellular response to FGF8 signalling in the vertebrate 541 

limb. Nat. Cell Biol. 5, 513–519 (2003). 542 

40.  Li, C., Scott, D. A., Hatch, E., Tian, X. & Mansour, S. L. Dusp6(Mkp3) is a negative feedback 543 

regulator of FGF stimulated ERK signaling during mouse development. Dev. Camb. Engl. 134, 167–176 544 

(2007). 545 

41.  Holten, I. W., Smith, A. W., Bourne, A. J. & David, D. J. The Apert syndrome hand: pathologic 546 

anatomy and clinical manifestations. Plast. Reconstr. Surg. 99, 1681–1687 (1997). 547 

42.  Cohen, M. M. & Kreiborg, S. Hands and feet in the Apert syndrome. Am. J. Med. Genet. 57, 82–548 

96 (1995). 549 

43.  Boehm, B. et al. A landmark‐free morphometric staging system for the mouse limb bud. Dev. 550 

Camb. Engl. 138, 1227–1234 (2011). 551 

44.  Ibrahimi, O. A. et al. Structural basis for fibroblast growth factor receptor 2 activation in Apert 552 

syndrome. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 98, 7182–7187 (2001). 553 

45.  Honeycutt, R. L. Small changes, big results: evolution of morphological discontinuity in 554 

mammals. J. Biol. 7, 9 (2008). 555 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 19: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

19  

46.  Rosenthal, N. & Brown, S. The mouse ascending: perspectives for human‐disease models. Nat. 556 

Cell Biol. 9, 993–999 (2007). 557 

47.  Spradling, A. et al. New Roles for Model Genetic Organisms in Understanding and Treating 558 

Human Disease: Report From The 2006 Genetics Society of America Meeting. Genetics 172, 2025–2032 559 

(2006). 560 

48.  Guénet, J.‐L. Animal models of human genetic diseases: do they need to be faithful to be useful? 561 

Mol. Genet. Genomics 286, 1–20 (2011). 562 

49.  Ekerot, M. et al. Negative‐feedback regulation of FGF signalling by DUSP6/MKP‐3 is driven by 563 

ERK1/2 and mediated by Ets factor binding to a conserved site within the DUSP6/MKP‐3 gene promoter. 564 

Biochem. J. 412, 287–298 (2008). 565 

50.  Winter, R. M. & Baraitser, M. The London Dysmorphology Database. J. Med. Genet. 24, 509–510 566 

(1987). 567 

51.  Zuniga, A., Zeller, R. & Probst, S. The molecular basis of human congenital limb malformations. 568 

Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 1, 803–822 (2012). 569 

52.  Rohlf, F. J. & Slice, D. Extensions of the Procrustes Method for the Optimal Superimposition of 570 

Landmarks. Syst. Zool. 39, 40–59 (1990). 571 

53.  Dryden, I. L. & Mardia, K. V. Statistical Shape Analysis. (Wiley, 1998). 572 

54.  Bookstein, F. L. Morphometric Tools for Landmark Data: Geometry and Biology. (Cambridge 573 

University Press, 1997). 574 

55.  Gunz, P., Mitteroecker, P. & Bookstein, F. L. Semilandmarks in Three Dimensions. in Modern 575 

Morphometrics in Physical Anthropology 73–98 (Springer, Boston, MA, 2005). doi:10.1007/0‐387‐27614‐576 

9_3 577 

56.  Mitteroecker, P. & Gunz, P. Advances in Geometric Morphometrics. Evol. Biol. 36, 235–247 578 

(2009). 579 

57.  Rohlf, F. J. & Corti, M. Use of Two‐Block Partial Least‐Squares to Study Covariation in Shape. 580 

Syst. Biol. 49, 740–753 (2000). 581 

58.  Klingenberg, C. P. Morphometric integration and modularity in configurations of landmarks: 582 

tools for evaluating a priori hypotheses. Evol. Dev. 11, 405–421 (2009). 583 

59.  Adams, D. C. & Otárola‐Castillo, E. geomorph: an r package for the collection and analysis of 584 

geometric morphometric shape data. Methods Ecol. Evol. 4, 393–399 (2013). 585 

60.  Klingenberg, C. P. MorphoJ: an integrated software package for geometric morphometrics. Mol. 586 

Ecol. Resour. 11, 353–357 (2011). 587 

 588 

 589 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 20: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

20  

Acknowledgements 590 

We  acknowledge  support  of  the  Spanish  Ministry  of  Economy  and  Competitiveness  to  the  EMBL 591 

partnership*  and  ‘Centro  de  Excelencia  Severo Ochoa,  and  the  CERCA  Programme  /  Generalitat  de 592 

Catalunya. We  acknowledge  the  support  of  the  CERCA  Programme  /  Generalitat  de  Catalunya. We 593 

acknowledge  Ethylin  Wang  Jabs  for  access  to  the  Fgfr2+/P253R  Apert  syndrome  mouse  model.  The 594 

research  leading to these results received funding  from the  following grants: European Union Seventh 595 

Framework Program (FP7/2007‐2013) under grant agreement Marie Curie Fellowship FP7‐PEOPLE‐2012‐596 

IIF 327382, National Institutes of Health NICHD P01HD078233 and NIDCR R01DE02298, and a Burroughs‐597 

Welcome Fund 2013 Collaborative Research Travel Grant.  598 

 599 

Author contributions 600 

NM‐A, JS and JR conceived the project. JR contributed with experimental mouse models; AR‐M,  JS, LS 601 

and KK conducted experiments and scanning; and NM‐A, RM,  JS, SMP and MY collected and analysed 602 

the data. NM‐A and JS wrote the paper and all authors critically reviewed the manuscript. 603 

 604 

Figure legends 605 

 606 

Figure 1. Quantitative size and shape comparison of forelimb bones in Fgfr2+/P253R newborn mice (P0) 607 

and unaffected littermates (P0). a) Mouse skeleton at P0. 3D isosurface reconstruction of the skeleton 608 

of  an  unaffected  littermate  obtained  from  a  high  resolution  µCT  scan.  b‐f)  Anatomical  landmarks 609 

recorded on µCT scans of Apert syndrome mice at P0. b) Autopod (hand). Landmarks were recorded at 610 

the midpoint of the proximal and distal tips of the distal, mid and proximal phalanges (P1‐P28) and the 611 

metacarpals  (P29‐P38).  Proximal  phalanx  I,  middle  phalanx  V,  and  metacarpal  I  are  not  displayed 612 

because these bones have not yet mineralized at P0 and could not be visualized in many specimens. c) 613 

Zeugopod. Landmarks were recorded at the midpoint of the proximal and distal tips of the radius (R1‐614 

R2) and ulna (U1‐U2). d) Stylopod. Landmarks were recorded at the midpoint of the proximal and distal 615 

tips of the humerus (H1‐H2), as well as the tip of the deltoid process (H3).  e) Scapula. Landmarks were 616 

recorded at the most superior and inferior lateral points of the scapula (S1‐S2), the most posterior point 617 

of the spine (S3), most antero‐medial point of the acromion process (S4) and the medial, superior and 618 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 21: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

21  

inferior points of the glenoid cavity (S5‐S7). f) Clavicle. Landmarks were recorded at the medial point of 619 

the sternal and the acromial ends (C1‐C2). g) Length and volume differences  in the  forelimbs of Apert 620 

syndrome mouse models. Schematic representation of the forelimb of a P0 mouse showing in different 621 

colours statistically significant differences  in bone  length and volume as measured by  two‐tailed one‐622 

way ANOVA or Mann‐Whitney U‐test in Fgfr2+/P253R mice relative to unaffected littermates as specified in 623 

Table  SI_1.  Longer/shorter  refer  to  length, whereas  larger/smaller  refer  to  volume. Blue:  Longer  and 624 

larger, green: longer, purple: shorter and larger, pink: shorter and smaller, orange: no difference, yellow: 625 

not assessed because bones were not visible/ossified. h,  i) Shape differences  in the forelimbs of Apert 626 

syndrome mouse models. Scatterplots of PC1 and PC2 scores based on Procrustes analysis of anatomical 627 

landmark locations representing the shape of the left humerus (h) and the left scapula (i) of unaffected 628 

(n=10)  and mutant  (n=12)  littermates of Apert  syndrome mouse models. Convex hulls  represent  the 629 

ranges of variation within each group of mice. 630 

 631 

Figure 2. Qualitative visualisation of gene expression of Dusp6  in unaffected and Fgfr2+/P253R mouse 632 

embryos at E10.5 and E11.5. OPT  scans of embryos WISH stained  for Dusp6  revealed  the anatomical 633 

location  of  gene  expression  (shown  in  yellow).  For  each  stage,  the  main  expression  domains  are 634 

highlighted on  the  left  for anatomical  reference on a  lateral view of a 3D  reconstruction of a Fgfr2+/+ 635 

unaffected embryo (fb: forebrain, is: isthmus, hb: hindbrain, mx: maxillary prominence, md: mandibular 636 

prominence, lnp: lateral nasal process, mnp: medial nasal process, ht: heart, sc: spinal cord, fl: forelimb, 637 

hl:  hindlimb).  On  the  right,  3D  reconstructions  of  three  unaffected  and  three  Fgfr2+/P253R  mutant 638 

embryos from the same litter are displayed to represent the high degree of variation in developmental 639 

age within litters. Embryos are not to scale. 640 

 641 

Figure  3.  New  quantitative  analysis  method  for  3D  gene  expression  data,  based  on  geometric 642 

morphometrics. Mouse  embryos  between  E10.5  and  E11.5 were  analysed with WISH  to  reveal  the 643 

expression of Dusp6  (1),  and  then  cleared with BABB  and OPT  scanned using both  fluorescence  and 644 

transmission  light (2). The external surface of the embryo was obtained from the 3D reconstruction of 645 

the fluorescence scan (2). Multiple thresholding of the transmission scan by choosing different levels of 646 

grey  values  as  shown  by  the  histogram  allowed  to  visualize  gene  expression  patterns  at  different 647 

intensities  (3). Moderate gene expression  (shown  in green) was displayed as  the  isosurface obtained 648 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 22: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

22  

using as a threshold the grey value computed as 2/3 of the last grey value showing the Dusp6 expression 649 

domain (3). High gene expression (shown in yellow) was displayed as the isosurface obtained using as a 650 

threshold the grey value computed as 1/3 of the last grey value showing the Dusp6 expression domain 651 

(3). From the whole mouse embryo isosurfaces, all four limb buds were segmented (5a). From the high 652 

gene  expression  isosurface,  the  Dusp6  domains  from  all  the  available  limbs  were  segmented  (5b). 653 

Maximum  curvature  patterns were  displayed  to  optimize  landmark  recording  (5).  For  each  limb we 654 

captured the shape and size of the limb bud (6a) and the underlying high Dusp6 gene expression pattern 655 

(6b)  recording  the  3D  coordinates  of  anatomical  landmarks  (yellow  dots),  curve  semilandmarks  (red 656 

dots) and surface semilandmarks (pink dots). Anatomical and curve landmarks were recorded manually 657 

on  each  limb.  Surface  landmarks were  recorded  on  one  template  limb  and  interpolated  onto  target 658 

limbs.  Landmark  coordinates  were  the  input  for  Geometric Morphometric  (GM)  quantitative  shape 659 

analysis (7, 8) to superimpose the landmark data (GPA, General Procrustes Analysis), compute limb size 660 

(Centroid size), and explore shape variation within  limbs and gene expression domains by  litters  (PCA, 661 

Principal Component Analysis). Finally, the covariation patterns between the shape of the limb and the 662 

shape of the gene expression domain were also explored (PLS, Partial Least squares). 663 

  664 

Figure 4. Tracing of limb phenotypes (anatomical and molecular) back through developmental time to 665 

the  earliest moment  of  appearance.  Principal  Component  Analyses  based  on  the  Procrustes‐based 666 

semilandmark was  used  to  analyse  the  shape  of  the  limbs  and  the  corresponding Dusp6  expression 667 

domains at each developmental period. Each period was analysed separately for the shape of the  limb 668 

(a‐d) and the Dusp6 expression domain (e‐h), as specified in Methods and Table SI_2. Scatterplots of PC1 669 

and  PC2  axes  with  the  corresponding  percentage  of  total  morphological  variation  explained  are 670 

displayed for each analysis, along with morphings associated with the negative, mid and positive values 671 

of the PC axis that separates mutant and unaffected littermates (PC1 or PC2, as highlighted in bold black 672 

letters in the corresponding axis). Morphings are displayed  in grey tones when the analysis showed no 673 

differentiation between mutant and unaffected  littermates. Morphs are displayed  in colour when  the 674 

analysis revealed differentiation between mice (blue: unaffected littermates; pink: mutant littermates). 675 

Limb  buds  and Dusp6  domains  are  not  to  scale  and  oriented with  the  distal  aspect  to  the  left,  the 676 

proximal aspect to the right, the anterior aspect at the top and the posterior aspect at the bottom of all 677 

images. Convex hulls represent the ranges of variation within each group of mice. 678 

 679 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 23: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

23  

Figure  5.  Quantitative  correspondence  between  the  size  and  shape  of  the  limbs  and  the  Dusp6 680 

expression pattern. a‐d) Comparison of  limb bud size and Dusp6 volume  in unaffected and Fgfr2+/P253R 681 

mutant littermates across development. Limb size was measured as limb centroid size (a), whereas the 682 

size  of  the  Dusp6  expression was measured  as  the  volume  of  the  gene  domain  (b),  as  specified  in 683 

Methods and Tables SI_2 and 3. The association between the size of the  limbs and the volume of the 684 

Dusp6  domain  was  assessed  separately  for  forelimbs  (c)  and  hindlimbs  (d).  Statistical  significant 685 

differences  as  revealed  by  two‐tailed  t‐tests  are marked with  asterisks,  representing  the  degree  of 686 

significance:  *P‐value=0.03,  **  P‐value=0.01.  e)  Time  course  assessing  the morphological  integration 687 

pattern between the  limb phenotype and the shape of the gene expression pattern using Partial Least 688 

Squares  analyses.  Associated  shape  changes  from  late  to  early  limb  development  are  shown  from 689 

morphings associated with the negative, mid and positive values of PLS1, which accounted for almost all 690 

the covariation (97.6% in forelimbs and 99.5% in hindlimbs) between the limb buds and the Dusp6 gene 691 

expression domains.  Limb buds and Dusp6 domains are not  to  scale and oriented distally  to  the  left, 692 

proximally to the right, anteriorly to the top and posteriorly to the bottom. On the right, representing 693 

the positive extreme of PLS1 axis, typical early  limb buds showed a protruding shape  (i.e. short  in the 694 

proximo‐distal  axis  and  symmetrical  in  the  antero‐posterior  axis)  associated with  a  flat‐bean  shaped 695 

Dusp6 expression pattern localized in the distal limb region, underlying the apical ectodermal ridge, and 696 

spreading proximally  towards  the dorsal  and  ventral  sides of  the  limb. On  the  left,  representing  the 697 

negative extreme of the PLS1 axis,  limb buds were elongated  in the proximal axis, asymmetric on the 698 

antero‐posterior  axis, with  an  expansion  of  the  distal  limb  region  and  a  contraction  of  the  proximal 699 

region, at the wrist level. This typical limb shape of more developed limbs was associated with a Dusp6 700 

expression  that was  extended underneath  the  apical  ectodermal  ridge  towards  the  anterior  and  the 701 

posterior ends of the gene expression, but reduced on the dorsal and ventral sides of the limb.  702 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 24: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

24  

FIGURE 1 703 

704 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 25: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

25  

FIGURE 2 705 

 706 

   707 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 26: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

26  

FIGURE 3 708 

 709 

   710 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint

Page 27: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

27  

FIGURE 4 711 

712 

.C

C-B

Y-N

C 4.0 International license

was not certified by peer review

) is the author/funder. It is made available under a

The copyright holder for this preprint (w

hichthis version posted January 11, 2018.

. https://doi.org/10.1101/246256

doi: bioR

xiv preprint

Page 28: It is made available under a CC-BY-NC 4.0 International ... · 1 Quantification of gene expression patterns to reveal the origins of abnormal morphogenesis 2 3 ... 63 quantification

28  

FIGURE 5 713 

 714 

.CC-BY-NC 4.0 International licensewas not certified by peer review) is the author/funder. It is made available under aThe copyright holder for this preprint (whichthis version posted January 11, 2018. . https://doi.org/10.1101/246256doi: bioRxiv preprint