background image

Dyrk1a is required for craniofacial development in Xenopus laevis.

 

H. Katherine Johnson

1

,  Stacy E Wahl

1+

, Fatmata  Sesay

2

*, Larisa Litovchick

2,3

, Amanda JG Dickinson

Author Affiliations 

1

Department of Biology, Virginia Commonwealth University, Richmond, Virginia, USA 

2

Department of Internal Medicine, Division of Hematology, Oncology and Palliative Care, Virginia 

Commonwealth University, Richmond, Virginia, USA 

3

Massey Comprehensive Cancer Center, Richmond, Virginia, USA 

* current address: Department Radiation Oncology,  

Emory 

Winship Cancer Institute

, Emory University, 

Atlanta, Georgia, USA  

+current address: School of Medicine Office of Faculty Affairs and Faculty Development, Virginia 
Commonwealth University, Richmond, Virginia, USA 

Corresponding author:

 Amanda Dickinson, ajdickinson@vcu.edu

 

Author contributions: 

Johnson

: editing, writing and gene expression experiment.  

Wahl

:  in situ hybridizations of dyrk1a.  

Sesay: 

 In vitro DYRK1A activity assay.  

Litovchick: 

reviewing

editing and writing.  

Dickinson: 

 conception, compiled data, writing, reviewing performed experiments in figures 2,3,4,5,6.   

 

Keywords: 

DYRK1A, craniofacial, 

Xenopus laevis 

 

 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Abstract

 

Loss of function mutations in the dual specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase 1A (DYRK1A) gene 

are  associated  with  craniofacial  malformations  in  humans.  Here  we  characterized  the  effects  of  deficient 

DYRK1A in craniofacial development using a developmental model, 

Xenopus laevis

Dyrk1a

 mRNA and protein 

was expressed throughout the developing head and was enriched in the branchial arches which contribute to 

the  face  and  jaw.  Consistently,  reduced  Dyrk1a  function,  using 

dyrk1a

  morpholinos  and  pharmacological 

inhibitors, resulted in orofacial malformations including hypotelorism, altered mouth shape, slanted eyes, and 

narrower  face  accompanied  by  smaller  jaw  cartilage  and  muscle.  Inhibition  of  Dyrk1a  function  resulted  in 

misexpression  of  key  craniofacial  regulators  including  transcription  factors  and  members  of  the  retinoic  acid 

signaling  pathway.  Two  such  regulators, 

sox9

  and 

pax3

  are  required  for  neural  crest  development  and  their 

decreased expression corresponds with smaller neural crest domains within the branchial arches. Finally, we 

determined that the smaller size of the faces, jaw elements and neural crest domains in embryos deficient in 

Dyrk1a could be explained by increased cell death and decreased proliferation. This study is the first to provide 

insight into why craniofacial birth defects might arise in humans with DYRK1A mutations. 

 

 

Introduction 

DYRK1A (Dual-specificity Tyrosine (Y) Regulated Kinase) is a multifunctional kinase that phosphorylates 

protein substrates involved in a wide range of cellular process such as cell cycle, transcription, signaling, and 

apoptosis (reviewed i

(Ananthapadmanabhan et al., 2023; Atas-Ozcan et al., 2021; Fernandez-Martinez et al., 

2015)

). Therefore, it is not surprising that proper dosage of this protein is critical for a variety of developmental 

processes.  Indeed,  in  humans,  haploinsufficiency  of 

DYRK1A

  is  associated  with  DYRK1A

 

syndrome  (aka 

DYRK1A

 

  haploinsufficiency  syndrome,  Intellectual  developmental  disorder,  autosomal  dominant  7,  MRD7, 

OMIM  #  614104).  This  developmental  disorder  is  characterized  by  intellectual  disability,  microcephaly,  short 

stature and malformations affecting the kidney and craniofacial structures 

(Blackburn et al., 2019; Ji et al., 2015; 

van Bon BWM, 2015; Widowati et al., 2018)

. Consistently, work in vertebrate animal models has demonstrated 

that  decreasing  Dyrk1a  affects  the  developing  brain  and  pronephros  in  line  with  phenotypes  in  humans 

(Blackburn et al., 2019; Fotaki et al., 2002; Kim et al., 2017; Willsey et al., 2020)

. While humans with DYRK1A 

syndrome have a myriad of craniofacial malformations such as retrognathia, and differences in the nose, upper 

lip and philtrum, there has not been any investigations that specifically address why DYRK1A haploinsufficiency 

results  in  these  craniofacial  differences.  Therefore,  the  broad  goals  of  this  study  is  to  1)  investigate  the 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

consequences of decreased DYRK1A on craniofacial development and 2) begin to dissect the mechanisms by 

which  craniofacial  malformations  occur  when  Dyrk1a  dosage  is  reduced.  We  do  this  using  an  effective 

developmental  model, 

Xenopus  laevis, 

where  Dyrk1a  function  can  be  titrated  and  embryos  can  easily  be 

evaluated throughout all stages of early development.  

DYRK1A has a multitude of functions and diverse substrates, therefore it is a challenging but important 

gene to understand during development. Notably

, DYRK1A

 is also within the Down Syndrome critical region. 

Increased dosage of this gene is thought to be one of the contributors to a range of developmental malformations 

associated with this syndrome including craniofacial differences 

(Atas-Ozcan et al., 2021; Stringer et al., 2017)

Although  there  is  limited  research  specifically  investigating  the  impact  of  DYRK1A  gene  loss  on  craniofacial 

development in whole animal models, we do know that the protein is important in the context of Down Syndrome 

and DYRK1A overexpression models. For example, in mouse models of Down Syndrome, the use of DYRK1A 

inhibitors  or  genetic  knockout  of  DYRK1A  has  been  shown  to  mitigate  skull  and  jaw  malformations  in  such 

model

(McElyea  et  al.,  2016;  Redhead  et  al.,  2023)

.  Thus,  decreased,  or  increased  dosage  of  DYRK1A  is 

detrimental to craniofacial development indicating that Dyrk1a plays a crucial role in the development of the face. 

In  all  vertebrates,  the  earliest  stages  of  craniofacial  development  are  very  similar.  For  example,  the 

presumptive facial region is influenced by cranial neural crest cells (CNCs), which originate next to the neural 

tube  and migrate  into  the  head 

(Cordero  et  al., 2011; Minoux  and  Rijli, 2010)

.  These  CNCs  as well  as facial 

ectoderm, endoderm, and mesoderm contribute to the facial prominences that form around the embryonic mouth. 

The facial prominences then grow, fuse and differentiate into specific tissues that form the midface, palate and 

jaws 

(Bush and Jiang, 2012; Dudas et al., 2007; Suzuki et al., 2016)

. The development of the CNCs, growth of 

the  facial  prominences,  and  differentiation  of  jaw  elements  are  orchestrated  by  a  similar  set  of  genes  and 

signaling pathways across vertebrates 

(Dickinson, 2016; Francis-West et al., 2003; Helms et al., 2005; Jacox et 

al., 2014; Kennedy and Dickinson, 2012; Van Otterloo et al., 2016; Wahl et al., 2015)

 

We have utilized the vertebrate developmental model,

 Xenopus laevis, 

to fill a major gap and study the 

effects of decreased Dyrk1a on craniofacial development

This model

 

has been established as an effective tool 

for studying how the face form

(Dickinson, 2016; Dickinson, 2023; Dubey and Saint-Jeannet, 2017; Kennedy 

and Dickinson, 2012, 2014; Sullivan and Levin, 2016; Vandenberg et al., 2012; Wyatt et al., 2020)

. Moreover, 

deficiency or mutations in the same genes that cause craniofacial abnormalities in humans also cause similar 

defects in 

Xenopus

 

(Adams et al., 2016; Bajpai et al., 2010; Devotta et al., 2016; Dubey et al., 2018; Dubey and 

Saint-Jeannet,  2017;  Greenberg  et  al.,  2019;  Hwang  et  al.,  2019;  Lasser  et  al.,  2019;  Mills  et  al.,  2019; 

Mohammadparast and Chang, 2022; Parast et al., 2023; Tahir et al., 2014; Wahl et al., 2015; Wyatt et al., 2020)

In  the  present  study,  we  demonstrate  that  decreasing  Dyrk1a  function  in 

X.  laevis

  results  in  craniofacial 

malformations  that  correlate  with  changes  in  the  expression  of  craniofacial  regulators  as  well  as  increased 

apoptosis in the developing head.

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Methods

 

Obtaining Xenopus laevis embryos 

Xenopus  laevis

  embryos  were  obtained  using  standard  procedures 

(Sive  et  al.,  2000)

  approved  by  the  VCU 

Institutional  Animal  Care  and  Use  Committee  (IACUC  protocol  number  AD20261).  Embryos  were  staged 

according to Nieuwkoop and Faber 

(Nieuwkoop and Faber, 1967; Nieuwkoop and Faber, 1994)

. Stages are also 

reported as hours post fertilization at 23°C for better comparisons across vertebrates. 

  

Morpholino Knockdown 

To knockdown gene function we used antisense oligonucleotides stabilized with morpholino rings (Morpholinos 

(MOs) GeneTools). 

X. laevis

 is tetraploid and thus has two homeologs of each gene (denoted S and L). We used 

a previously validated translation blocking Dyrk1 MO that targets both homeologs of this gene (Xenbase.org). A 

standard control MO that does not target any Xenopus sequence was utilized as a negative control. MOs were 

labeled  with  fluorescein  which  allowed  separation  of  un-injected  individuals  by  24  hours  of  development. 

Embryos were injected with a Femtojet injection system using standard practices 

(Sive et al., 2010)

. Successfully 

injected  embryos,  as  indicated  by  green fluorescence  and  being  alive,  were  sorted  under  a  stereoscope  and 

raised at 15°C in frog embryo media (0.1X Modified Barth’s Saline (MBS)). MOs were microinjected using an 

Eppendorf Femtojet microinjector and a Zeiss Discovery V8 stereoscope. Embryos were placed in a dish lined 

with nylon Spectra mesh (1,000 um opening and 1350 um thickness) at the bottom to hold embryos in place and 

filled with 3% Ficoll 400 (Fisher, BP525) dissolved in frog embryo media. After injections, embryos were placed 

into 10 cm culture dishes filled with frog embryo media and maintained in a 15°C incubator. Media was changed 

daily,  and  dead  embryos  were  removed.  Three  biological  replicates  were  performed  where  embryos  were 

generated from different parents on different days. 

DYRK1A pharmacological antagonist treatments 

Embryos were immersed in 25uM INDY (Tocris, 4997) or 50uM Harmine (Sigma-Aldrich, SMB00461) with 0.1% 

DMSO  in  4  ml  of  frog  embryo  media  (0.1X  MBS)  in  6  well  culture  dishes.    Controls  were  immersed  in  0.1% 

DMSO alone in the same volume and in the same dish. Equal numbers of embryos (15 embryos), were placed 

in each well and 2 technical replicates (embryos from the same parents on the same day) of each performed. At 

least 2 biological replicates (embryos from different parents on a different day) were performed. Embryos were 

treated at stage 22-24 (~24 hpf) until stage 32-33 at 15°C and then processed for activity assays, qRT-PCR, 

staining or washed out and cultured until the desired stage in frog embryo media in 10 cm petri dishes. 

DYRK1A in vitro kinase assay  

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Embryos exposed to Dyrk1a inhibitors or injected with dyrk1a MOs were placed in microcentrifuge tube at stage 

26 and washed in 50mM Tris buffer. The liquid was removed and tubes stored at  -80C. Purified recombinant 

GST-LIN52 was incubated with embryo extracts in the presence of ATP then phosphorylated LIN52-S28, total 

GST-LIN52, DYRK1A and loading control proteins were assessed by western blotting as previously described

 

(Iness et al., 2019; Menon et al., 2019)

. 

Imaging the faces of Xenopus laevis 

At stage 43, embryos were anesthetized in 1% tricaine for 10 minutes and then fixed in 4% paraformaldehyde 

overnight at 4°C. The heads were removed to effectively view and image the face and head. A No. 15 scalpel 

(VWR, 82029-856) and Dumont No. 5 forceps (Fisher, NC9404145) were used to make two cuts to isolate the 

head: first- at the posterior end of the gut and then second caudal to the gills. Isolated heads were mounted in 

small  holes  or  depressions  in  either  agarose  or  clay-lined  dishes  containing  Phosphate  Buffered  Saline  with 

0.1% Tween (PBT). The faces were imaged using a Zeiss stereoscope fitted with an Axiovision digital camera 

(Zeiss). 

Facial Measurements and Statistics 

Measurements  of  intercanthal  distance,  the  distance  from  the  inside  of  each  eye  across  the  midface  was 

measured  using  Zeiss  Zen  Blue  software.  Data  was  imported  into  Excel  to  create  stacked  bar  graphs.    60 

embryos in 2-3 biological replicates were quantified for each treatment group. SigmaPlot was utilized to perform 

statistical analyses and to create box and whisker plots. A multiple-group analysis was performed where it was 

first  analyzed  for  normality  and  equal  variance.  An  ANOVA  or  ANOVA  on  Ranks  (Kruskal  Wallis  test)  was 

performed to determine if there were statistical differences across all treatment groups. This was then followed 

by a Tukey posthoc test to compare two groups.  Significance was deemed if p-values were lower than 0.05. 

Immunofluorescence and Quantification of CC3 and PH3 

To perform all fluorescent labeling, embryos were fixed in 4% paraformaldehyde. To create transverse sections 

through the oral cavity, fixed embryos were immersed in 5% low melt agarose, and 200 micron sections created 

with a vibratome (Leica). The sections or whole embryos were incubated in blocking buffer (1% Triton-X, 1% 

normal calf serum, 1% BSA in PBT) overnight at 4°C. This was followed by primary antibody incubation (anti-

DYRK1A,  1:100,  Bethyl  Laboratories,  A303-802A),  Cleaved  Caspase-3  (CC3,  1:1000,  Cell  Signaling 

Technology,  9661S), 

  phospho-histone  H3  (PH3,  1:100,  Sigma,  06-570)

,  collagen  II  (Developmental  Studies 

Hybridoma  Bank,  1:25),  and  12/101  (Developmental  Studies  Hybridoma  Bank,  1:25)  for  2-4  days  and  then 

washed 3 times in 1 hour at room temperature. Sections or whole embryos were then incubated in secondary 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

antibody  (1:500,  goat-anti  mouse  Alexa  Fluor  488  or  568)  combined  with  2  drops  of  NucBlue  in  1  ml  PBT 

(Invitrogen, RF37606), for 1-2 days. For double labeling, sections or embryos were labeled with the first primary 

and corresponding secondary antibody followed by the second primary and corresponding secondary antibodies. 

Since individual cells could not be discerned in the CC3 labeling, the histogram function in Photoshop was used 

to assess fluorescence. The mean intensity of the fluorescence was determined for the face, excluding the brain 

and eyes, and normalized to area. Individual PH3 positive cells were counted in the face, excluding the brain 

and eyes, and also normalized to area. SigmaPlot was used to perform statistical analysis consisting of TTESTs 

for 2 groups or ANOVAs followed by Tukey posthoc test for 3 groups.  

Cartilage Labeling 

Cartilages  were  labeled  with  Alcian  Blue  as  described  previously.  Tadpoles  were  fixed  in  Bouin’s  fixative 

overnight at 4°C and then washed in 70% ethanol until clear of any yellow color. They were then immersed in 

Alcian Blue mixture (0.1mg/ml Alcian Blue in 1 part acetic acid: 4 parts ethanol) for 3 days at room temperature. 

Specimens  were  washed  in  1%  HCL  in  70%  ethanol  for  1

–2  days  followed  by  another  fixation  in  4% 

paraformaldehyde (2  hrs).  To  remove  pigment, tadpoles  were  immersed  in  1.5%  hydrogen  peroxide  and  5% 

formamide in saline sodium citrate solution and placed on a lightbox until pigment could no longer be seen. After 

three washes in PBT, the embryos were incubated in 2% potassium hydroxide (2 times for 30 minutes). Finally, 

the embryos were cleared in a series of 2% potassium hydroxide to 100% glycerol solutions (50:50, 40:60, 20:80, 

30 minutes each). Tadpoles were then imaged in 100% glycerol.

 

 

In situ hybridization 

DIG-labeled RNA probes for 

dyrk1a

 were prepared from a plasmid containing a partial, sequence of Xenopus 

laevis dyrk1a.S (IMAGE Clone ID: 7010948, now available at Horizon, MXL1736-202713005). Due to the high 

degree of similarity, a probe made from this sequence was predicted to bind to both 

dyrk1a.L

 and 

dyrk1a.S

. The 

plasmid was linearized with Sal1 (antisense) or Not1 (sense), gel purified and transcribed with DIG RNA labeling 

mix with either T7 RNA polymerase (NEB, M0251S; antisense probe), or SP6 RNA polymerase (NEB, M0207S; 

sense probe). Embryos used for in situ hybridization were fixed in 4% PFA, dehydrated in a methanol series, 

and stored for 1

–10 days at −20C. In situ hybridization was performed as described (Sive et al., 2000), omitting 

the proteinase K treatment. 

sox10-GFP transgenic assessment  

sox10

-GFP transgenic adult 

Xenopus laevis

 (

Xla.Tg(sox10:GFP)

Jpsj, 

RRID: NXR_0108) originating in the Saint-

Jeannet  lab  were  obtained  from  Marine  Biological  Laboratory  National  Xenopus  Resource 

(Alkobtawi  et  al., 

2018; Bowes et al., 2008; Ossipova et al., 2018)

.  Embryos were obtained by natural mating and then exposed 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

to INDY as described above. Embryos were fixed in 4% paraformaldehyde for 24 hours and washed in PBT and 

then assessed on a Nikon C2 confocal microscope. 

qRT-PCR of craniofacial regulators  

Craniofacial gene expression was assessed using quantitative reverse transcription PCR (RT-qPCR). RNA was 

extracted  from  the  heads  of  embryos  at  stage  32  using  TRIzol  extraction  following  the  provided  instructions 

followed  by  lithium  chloride  precipitation.  One-step  quantitative  RT-PCR  was  performed  using  the  extracted 

RNA, and both reverse transcription and PCR were performed using the Luna One-Step Universal RT-qPCR kit 

(NEB, E3005S) and carried out on the Mic qPCR Machine (BioMolecular Systems) using the primer sequences 

included in Supplemental Table 1. Using the delta-delta CT method, the relative fold change between control 

and experimental groups in the PCR products was calculated using the housekeeping gene, 

rpl31. 

The choice 

for reference gene was based on preliminary results in the lab where gene expression levels were assessed in 

embryos  overexpressing 

dyrk1a

  at  the  same  stage  (manuscript  in  prep).  The  ribosomal  gene 

rpl31

,  was 

unchanged by 

dyrk1a

 (other common reference genes such as 

gapdh

 were altered) and ribosomal genes are 

often used as reference genes in expression analyses.

 

Results 

1. Patients with DYRK1A loss of function gene variants have craniofacial differences.  

DYRK1A sequence variants have been associated with DYRK1A Haploinsufficiency Syndrome which is 

characterized by craniofacial differences. To further demonstrate that DYRK1A could be required for craniofacial 

development  in  humans  then  we  analyzed  craniofacial  phenotypes  in  patients  with  other  sequence  or  copy 

number variants (that are predicted to cause DYRK1A loss of function). DYRK1A is predicted to be intolerant to 

loss  of  function  and  a  high  probability  of  being  haploinsufficient  (gnomAD,  pI=1.0,  pHaplo=1.0). Despite  this, 

there  were  68  patients  with  loss  of  function  DYRK1A  gene  variants  and  their  phenotypes  described  in  the 

Decipher  Database.  Of  the  total  number  of  phenotypes  reported  in  patients  with  DYRK1A  loss  of  function 

sequence  variants,  31.25%  were  structural  changes  in  the  craniofacial  region  (Fig.  1A).  Strikingly,  of  all  the 

patients  identified  with  loss  of  function  DYRK1A  sequence  variants,  62.5%  had  some  type  of  craniofacial 

phenotype (Fig. 1B). We similarly examined patients with CNVs likely causing loss of function of DYRK1A. Of 

the total number of phenotypes reported in patients with DYRK1A CNVs, 32.3% were structural changes in the 

craniofacial region (Fig. 1C). Of all the patients identified with loss of function DYRK1A CNVs (and phenotypes 

reported), 64.3% had some type of craniofacial phenotype (Fig. 1D). These results are consistent with Dyrk1a 

Syndrome and support our hypothesis that DYRK1A is required for craniofacial development. 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

2. The X. laevis Dyrk1a proteins are highly similar to the human protein. 

To  test the  role  of  Dyrk1a  in  craniofacial  development  we turned  to  a  well  established  developmental 

animal model, 

Xenopus laevis

. This species is allotetraploid and has two copies of each gene denoted Long (L) 

and Short (S). Using NCBI Blast we determined that Dyrk1a.L and Dyrk1a.S proteins are 96% similar to each 

other and are expressed at  similar levels over time (suppl Fig.  1).  Further, both of these proteins share 94% 

similarity with the human DYRK1A protein (isoform 2, NP_001334650.1) suggesting that the 

X. laevis

 proteins 

are highly conserved (suppl. Fig. 1) and likely to share common functions with the human protein. 

3. Dyrk1a is expressed in the developing craniofacial region of Xenopus 

If Dyrk1a is required for craniofacial development then we expect that 

dyrk1a

 mRNA and protein 

would  be  expressed  in  developing  craniofacial  tissues.    Indeed,  previous  work  demonstrated  that 

dyrk1a

 transcripts are expressed in the craniofacial region throughout early developmen

(Blackburn et 

al., 2019; Willsey et al., 2020)

.  Here we have also demonstrated that 

dyrk1a

 mRNA was expressed in 

the head, specifically focusing on the early developing face.  At stage 25 (~27hpf) when the neural crest 

has migrated into the future face, 

dyrk1a 

was observed throughout the head and slightly enriched in 

the  developing  eye  (Fig.  2A  i,ii).    At  stage  32  (~40hpf),  the  branchial  arches,  which  are  reiterated 

compartmental structures will form the hard and soft tissues of the head including the jaws are present.  

dyrk1a

 was enriched in these branchial arches as well as the developing facial tissues surrounding the 

mouth (Fig. 2A iii,iv). At this time, 

dyrk1a

 also appears to be enriched in the otic vesicle and the brain.  

At stage 35 (~50 hpf), 

dyrk1a

 is enriched in facial tissues surrounding the eye and the mouth that will 

form the primary palate and anterior most jaw cartilages (Fig. 2A v,vi) . Sense controls did not result in 

staining (suppl. Fig. 2) 

To visualize Dyrk1a protein expression in Xenopus, we used an antibody that recognizes the C-

terminus of the human DYRK1A protein. This region is highly similar to the corresponding region of the 

X. laevis

 protein sequence (suppl. Fig. 1).  When embryos were injected with Xenopus 

dyrk1a

 mRNA 

into one cell at the 2-cell stage we noted an increase in DYRK1A antibody labeling in the injected half 

of  the  embryo  (suppl.  Fig  2).    Further,  this  antibody  also  labeled  cilia  as  other  DYRK1A  antibodies 

described in previous reports 

(Willsey et al., 2020)

 and suppl. Fig. 2). Together, our data indicates that 

the  antibody  specifically  labeled  the 

Xenopus

  Dyrk1a  protein.  At  early  stages  (~st.  25,  27hpf)  we 

observed Dyrk1a throughout the tissues comprising the head (Fig. 2B i,ii).  Enrichment of the protein 

was observed in the developing eye consistent with the 

in situ

 hybridization data (Fig. 2B i,ii).  Higher 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

magnified images revealed more details about Dyrk1a localization. For example, Dyrk1a appeared to 

be associated with the plasma membrane as well as nuclei in the epidermal cells (Fig. 2B iii,iv).  Later, 

at stage 32 (~40hpf), we noted again Dyrk1a was present in a majority of the cells comprising the head 

(Fig. 2B v,vi). In particular, we observed an enrichment in the mesenchymal core of the branchial arches 

composed of neural crest cells (Fig. 2B v-viii). Interestingly, in addition to nuclei, the lamellipodia-like 

protrusions in these cells were strongly labeled with the DYRK1A antibody (Fig. 2B vii-viii). At stage 39-

40, as the embryonic mouth is forming, the antibody labeled both the cytoplasm and nuclei of many 

cells in developing facial tissues (Fig. 2B ix-xii). Finally, Dyrk1a appeared enriched in the craniofacial 

tissues in later stages (st. 43-44). Specifically, the muscles (also see section 6) as well as the gill arches 

appeared enriched in Dyrk1a protein (Fig. 2Di,ii).   

Using the Xenbase.org database, we plotted 

dyrk1a

 mRNA and protein levels over time. These 

results  showed  relatively  constant  levels  of 

dyrk1a

  mRNA  after  gastrulation  when  critical  events  in 

craniofacial take place (Fig. 2C).  On the other hand, Dyrk1a protein steadily increased over the same 

period of time (Fig. 2C).  The disconnect in the pattern of mRNA and protein levels could be caused by 

various factors and additional experiments would be necessary to elucidate these.  However, it does 

emphasize the importance of examining protein expression in addition to mRNA during development. 

Together,  this  expression  data  shows  that  Dyrk1a  is  present  throughout  the  developing 

craniofacial  tissues  in  both  nuclear  and  cytoplasmic  compartments  suggesting  that  it  could  have 

multiple roles in multiple tissues in the developing face.  

4. Decreased Dyrk1a results in craniofacial malformations in Xenopus 

To  definitively  show  that  Dyrk1a  is  required  for  craniofacial  development,  we  next  aimed  to 

decrease  its  function  and  assess  craniofacial  morphology.  To  accomplish  this,  we  used  validated 

antisense  oligos  (Morpholinos;  MOs)  and  pharmacological  tools  that  have  been  shown  effective  in 

Xenopus

 embryos. 

The 

dyrk1a

 or standard control MOs (Genetools) were injected into the one cell stage and the 

faces examined at stage 43 (Fig. 3Ai). We noted  increased severity of craniofacial malformations with 

increasing concentration of the MOs. At the lowest dose of dyrk1a MO (5ng) the faces appeared smaller 

and  mouth  shape  was  more  oval  (Fig.  3A  ii,iii).  At  10  ng  of  MO  per  embryo,  the  eyes  were  closer 

together, the midfaces appeared narrower, and the mouths were rounder (Fig. 3A iv).  At 20 ng per 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

embryo, the faces were very narrow, so much so that the eyes appeared fused and the mouth was very 

small (Fig. 3A v).   

To help demonstrate that the effects of the 

dyrk1a

 MO on craniofacial development were specific 

to loss  of  Dyrk1a function we  next  tested two Dyrk1a inhibitors, INDY and harmine.   Embryos were 

treated from stage 24 until stage 32 (Fig. 3B i) which provides the extra benefit of informing whether 

the

 dyrk1a

 MO induced craniofacial malformations are due to earlier effects on gastrulation or neural 

crest specification. Results indicated that the Dyrk1a inhibitors had very similar effects as the 

dyrk1a 

morpholinos on craniofacial development. Embryos had narrower faces, closer set eyes and rounder 

mouths. The severity of these defects also increased with increasing concentrations (Fig 3B ii-ix). Since 

decreased Dyrk1a caused narrower appearing faces we measured intercanthal distance (the distance 

between the eyes) in our morpholino and inhibitor experiments. This quantification closely reflected our 

observations, where 

dyrk1a

 MOs as well as INDY and harmine treatments caused a decrease in the 

intercanthal distance that was more profound as concentrations increased (Fig. 3C). 

5. Tools to decrease Dyrk1a in Xenopus prevent phosphorylation of a Dyrk1a target LIN52. 

It is possible that 

dyrk1a

 MOs, INDY and harmine cause a phenotype through one or more non-

specific mechanisms rather than decreasing Dyrk1a function. Therefore, we next validated that  these 

methods did indeed knockdown Dyrk1a function in the embryo. To do so we used an established in 

vitro activity assay that assessed the phosphorylation of a verified DYRK1A target, LIN52 

(Iness et al., 

2019; Menon et al., 2019)

 (Fig 3D)

. Results indicated that 

dyrk1a

 MOs as well as embryos treated with 

Dyrk1a  inhibitors  reduced  the  phosphorylation  of  LIN52  in  embryos  (Fig.  3E).    Using 

immunofluorescence we also noted a decrease in phosphorylated Lin52 in the head of embryos after 

INDY  exposure  (Fig  3F  i,ii).  Together  these  results  suggested  that  our  tools  are  indeed  effective  at 

reducing Dyrk1a function. 

6. Decreased Dyrk1a results in abnormalities in cranial cartilages and muscles. 

The jaw cartilage and muscle provide the shape of the face and therefore we examined these 

tissues in embryos with decreased Dyrk1a function. Embryos were injected with 

dyrk1a

 MO or exposed 

to the Dyrk1a inhibitor, INDY (Fig. 4A,B). Cartilages, labeled with Alcian blue staining, were dramatically 

reduced in 100% of both embryos injected with 

dyrk1a

 MOs or treated with INDY (Fig. 4C i-iii).  Similarly, 

jaw  muscles  labeled  with  a  muscle  specific  antibody  (12/101)  were  also  reduced  in  100%  of  the 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

embryos examined (Fig. 4C iv-vii). To determine whether Dyrk1a might have a direct role in cartilage 

and muscle development we co-labeled Dyrk1a with either collagen II or muscle (12/101).  In tissue 

sections labeled with a collagen II antibody we noticed positive staining surrounding cartilage elements. 

Dyrk1a  labeling  overlapped  with  collagen  II  and  appeared  within  the  cartilage  elements  as  well. 

Specifically,  Dyrk1a  appeared  enriched  in  the  nuclei  of  cells  inside  of  the  cartilages  (Fig.  4D  i-iii) 

suggesting a nuclear role in these tissues. Muscle specific antibody,12/101, labels a membrane protein 

of the sarcoplasmic reticulum and therefore appears in the cytoplasmic compartment of muscle cells. 

Dyrk1a appeared to overlap with 12/101 in the muscle (Fig. 4E i-iii) suggesting a cytoplasmic role in 

this tissue.  Future experiments are required to determine the role of Dyrk1a in these tissues. 

7. Decreased Dyrk1a function alters expression of craniofacial regulators and neural crest 

Craniofacial development is regulated by a number of signals and transcription factors. We next 

assessed  whether  the  expression  of  craniofacial  regulators  were  altered  in  response  to  decreased 

Dyrk1a function. We chose to focus on a small subset of genes that overlapped with dyrk1a mRNA 

expression  in  the  branchial  arches  or  head  at  stages  30-35  (Xenbase.org)  and  represented 

transcription factors and retinoic acid signaling.  The heads of embryos exposed to INDY were isolated,  

RNA extracted and RT-qPCR performed (Fig. 5A).  Results indicated that there were reductions in 

sox9

 

(0.61 fold),  

pax3 

(0.38 fold),  

alx4

 (0.65 fold) and 

rarg

 (0.49 fold) and a minor reduction in 

gbx2

 (0.82 

fold) in the head tissues of embryos exposed to INDY relative to control untreated embryos (Fig. 5B). 

On the other hand there was increased expression of 

crabp2

 (2.5 fold) in these same tissues (Fig. 5B). 

These  results  indicate  that  Dyrk1a  is  required  for  the  proper  expression  of  specific  craniofacial 

regulators expressed in the branchial arches. Additionally, this data also demonstrates that decreased 

Dyrk1a doesn’t simply cause a global reduction in gene expression that might be caused by sick or 

unhealthy embryos.  

Both 

pax3

  and 

sox9

  are  important  for  cranial  neural  crest  development.  Therefore,  since  the 

expression levels of these genes were dramatically reduced we next assessed the neural crest visually.  

To do this, a transgenic line where GFP is expressed under the 

sox10

 promoter (a gene expressed in 

cranial neural crest) was assessed 

(Alkobtawi et al., 2018; Ossipova et al., 2018)

These transgenic 

embryos  were  exposed  to  INDY  from  stage  24  to  32  and  the  GFP  examined  (Fig.  5A).  The  results 

indicated that the GFP expression pattern appeared very similar in control and INDY treated embryos 

(Fig. 5C i-iv). However, the size of each the 

sox10

 expression domain in the branchial arches appeared 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

smaller in INDY treatments compared to the controls (Fig. 5C i-iv). It is possible that Dyrk1a is required 

for the correct numbers of cranial neural crest cells in the branchial arches. 

8. Decreased Dyrk1a function results in increased cell death and decreased proliferation  in 

the developing face. 

Dyrk1a is known to regulate numerous processes including cell cycle and apoptosis.  Therefore, 

we next wondered whether craniofacial defects were due to an excess in cell death and/or a lack of 

proliferation in the tissues that form the face.  

To  test  whether  decreased  Dyrk1a  altered  levels  of  apoptosis  we  used  a  well  characterized 

marker, cleaved caspase-3 (CC3). 

dyrk1a

 MOs (or control MOs) were injected into one cell at the 2-

cell stage to isolate MOs to one half of the embryo. This was followed by CC3 labeling at stage 26-27, 

a  time  before  MOs  are  highly  diluted  (Fig.  6A).  CC3  labeling  at  the  resolution  detected  was  not 

amenable to counting individual cells. Therefore, we calculated CC3 positive fluorescence of the head, 

excluding the eyes and brain. The fluorescence intensity was then normalized to the area and values 

plotted.  Results  indicated  that  there  was  no  significant  difference  in  CC3  labeling  on  the  control 

morphant side of the head compared to the uninjected side of the head (Fig. 6B i-iv). On the other hand, 

we did determine that CC3 induced fluorescence was significantly higher on the 

dyrk1a

 morphant side 

of the head compared to the control side of the head (Fig. 6B v-viii).  

To test whether decreased Dyrk1a altered proliferation we used a well characterized marker of 

cell division, phosphorylated histone H3 (PH3). 

dyrk1a

 MOs (or control MOs) were injected into one 

cell at the 2-cell stage as described above (Fig. 6A). This was followed by PH3 labeling, also at stage 

26-27. PH3 labeling allowed us to count individual cells and therefore we calculated cells in the head, 

excluding the eyes and brain which was then normalized to the area. Results indicated that there was 

no significant difference in PH3 positive cells on the control morphant side of the head compared to the 

uninjected side of the head (Fig. 6Ci-iv). Conversely, we determined that the number of PH3 positive 

cells was significantly lower on the 

dyrk1a

 morphant side of the head compared to the control side of 

the head (Fig. 6C v-viii).  

While not as common as in zebrafish, morpholinos can sometimes cause non-specific cell death. 

Therefore, we asked whether there is a similar increase in CC3 labeling and conversely a decrease in 

PH3  positive  cells  in  embryos  treated  with  Dyrk1a  inhibitors.  We  also  used  this  opportunity  to  test 

whether these effects also occurred over a specific time window when the facial structures are forming 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

after gastrulation is completed (Fig. 6D). Indeed, we determined that there was a significant increase 

in  CC3  positive  fluorescence  in  embryos  exposed  to  INDY  or  Harmine  during  early  craniofacial 

development  (Fig.  6E  i-vii).  Additionally,  also  consistent  with  the  results  in 

dyrk1a 

morphants,  PH3 

positive  cells  were  also  decreased  in  embryos  exposed  to  both  INDY  and  Harmine  (Fig.  6F  i-vii). 

Together, these results indicate that decreased Dyrk1a function could cause a reduction in cell numbers 

in the face which could account for the narrowing of the faces, reduced cranial neural crest cells, and 

smaller jaw cartilages and muscle.

 

Discussion 

Craniofacial development is a complex orchestration of signaling, growth and differentiation.  It 

is  therefore  no  surprise  that  Dyrk1a,  a  ubiquitous  kinase  regulating  a  wide  range  of  basic  cellular 

processes, would have a role in facial formation.  Certainly, we and others have shown that Dyrk1a is 

expressed in the craniofacial region throughout development in 

Xenopus

 and mice 

(Blackburn et al., 

2019;  Fotaki  et  al.,  2002;  Willsey  et  al.,  2020)

.  Moreover,  here  we  demonstrate  that  embryos,  with 

reduced Dyrk1a, have craniofacial malformations early in development. 

Variants in DYRK1A, resulting in haploinsufficiency of the gene, are associated with DYRK1A 

Syndrome.  This  syndrome  is  defined  by  intellectual  disability  and  autism  related  disorder,  however 

patients also present with a number of craniofacial difference

(Ji et al., 2015; van Bon BWM, 2015)

Further analysis of phenotypes in people with various DYRK1A sequence and copy number variants 

indicate that in fact the majority of such patients have craniofacial differences.  In an animal model we 

have now demonstrated that decreasing Dyrk1a function in 

Xenopus

 embryos results in malformations 

consistent  with  the  craniofacial  differences  observed  in  humans  with  such  Dyrk1a  variants.    For 

example, humans with DYRK1A syndrome often have a smaller head size (microcephaly), narrower 

forehead, smaller midface features (short nose, and philtrum) as well as a smaller chin. In 

Xenopus

 

with deficient Dyrk1a function we also observed a smaller head and midface hypoplasia resulting in a 

narrower  face.    Hypoplasia  of  embryonic  tissues  have  also  been  noted  in  other  embryos  with  a 

reduction in 

Dyrk1A

 

(Fotaki et al., 2002; Kim et al., 2017)(Blackburn et al., 2019; Fotaki et al., 2002; 

Willsey et al., 2020)

.

 Together, these and our own data suggest that without Dyrk1a function, embryos 

have a deficiency in the size of embryonic organs. 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

In 

Xenopus

,  we  have  begun  to  determine  why  there  is  a  deficit  in  the  size  of  the  face  when 

Dyrk1a function is reduced.  First, we know that the shape of the face is largely determined by the size 

and position of the muscular and skeletal elements. Correspondingly, we determined that embryos with 

decreased Dyrk1a had both reduced cranial cartilage and muscle.  Dyrk1a may have a direct role in 

the development of these structures since we determined that this protein is present in cartilage and 

muscle cells. Certainly, DYRK1A has been shown to have a role in myogenesis further supporting this 

possibility  in  muscle 

(Yu  et  al.,  2019)

.  Dyrk1a  may  also  affect  the  development  of  jaw  muscle  and 

cartilage indirectly by modulating processes important for their development such as gene expression 

as well as growth and cell survival. 

In  terms  of  gene  expression,  embryos  with  reduced  Dyrk1a  function  did  indeed  have  altered 

expression of  critical craniofacial regulators. Transcription factors 

pax3 

and

 sox9

 were decreased in 

the facial tissues of  embryos treated with a Dyrk1a inhibitor. Mutations in 

PAX3

 cause Craniofacial-

deafness-hand syndrome (MIM 122880) characterized by craniofacial differences including short nose, 

short  palpebral  fissures  and  hypertelorism 

(Asher  et  al.,  1996)

.  Additionally, 

SOX9

 mutations  cause 

Campomelic dysplasia (MIM 114290), which causes defects in skeletogenesis, but patients also have 

craniofacial differences such as midface hypoplasia. Both 

pax3

 and 

sox9

 are required for cranial neural 

crest  development,  an  important  component  of  the  developing  face 

(Lee  and  Saint-Jeannet,  2011; 

Maczkowiak et al., 2010; Monsoro-Burq et al., 2005; Spokony et al., 2002)

A transcription factor, 

alx4

required  for  the  development  of  the  region  around  the  nose  and  forehead  was  also  reduced  in  the 

heads of embryos deficient in Dyrk1a function 

(Beverdam et al., 2001; Hussain et al., 2020)

In addition, 

two  members  of  the  retinoic  acid  signaling  pathway  were  also  altered  in  embryos  with  decreased 

Dyrk1a function. While there was a reduction in the retinoic acid receptor, 

rarg

, there was an increase 

in the retinoic acid binding protein 

crabp2

. Dyrk1a could be a negative regulator 

crabp2 

or alternatively, 

upregulation of this gene could be a compensation mechanism in response to the depletion of 

rarg

 in 

the  developing  face.  Previous  work  has  shown  that  retinoic  acid  signaling  is  required  for  orofacial 

development across vertebrate

(Dubey et al., 2018; Morriss-Kay, 1993; Williams and Bohnsack, 2019; 

Wu et al., 2022)

In 

Xenopus

, reductions in this pathway can cause orofacial clefts, slanted eyes and 

midface hypoplasia and embryos deficient in Dyrk1a function also have similar malformation

(Kennedy 

and  Dickinson,  2012,  2014)

.  In  summary,  misregulation  of  any  of  the  investigated  fundamental 

craniofacial  regulators  could  perturb  growth  and  differentiation  of  the  facial  tissues  and  account  for 

craniofacial malformations observed in embryos with deficient Dyrk1a. 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Each of the craniofacial regulators altered are expressed in the branchial arche

(Karimi et al., 

2018)

 overlapping with 

dyrk1a

 expression and therefore we hypothesized that dyrk1a could regulate 

their expression directly. 

D

YRK1A could potentially modulate transcription of the craniofacial regulators 

by  several  mechanisms.  One  possibility  is  that  Dyrk1a  phosphorylates  upstream  signaling  proteins 

required  for  the  expression  of  these  genes.  Indeed,  DYRK1A  phosphorylates  proteins  integral  to 

several  developmental  signaling  pathways  such  as  hedgehog,  nuclear  factor  of  activated  T  cells 

(NFAT), Notch, as well as WNT signaling 

(Arron et al., 2006; Atas-Ozcan et al., 2021; Ehe et al., 2017; 

Fernandez-Martinez et al., 2009; Hammerle et al., 2011; Hong et al., 2012)

However, whether Dyrk1a 

regulates one or more signaling pathways in the developing face needs further exploration.  DYRK1A 

has also been reported to regulate transcription by its ability to directly phosphorylate RNA polymerase 

II and histone components and therefore it could also be necessary for the function of  transcriptional 

machinery 

(Di  Vona  et  al.,  2015;  Jang  et  al.,  2014;  Yu  et  al.,  2019)

.  Our  results  warrant  further 

experiments  to decipher  if  and  how  Dyrk1a could  be  regulating  gene  expression during craniofacial 

development. 

An  important  component  of  craniofacial  development  is  the  cranial  neural  crest.  In  embryos  with 

decreased Dyrk1a function we noted a significant decrease in genes (

sox9 and pax3

) required for the 

development of this tissue. We also assessed neural crest in vivo using a transgenic line where GFP 

expression is driven by another cranial neural crest regulator, 

sox10

 

(Alkobtawi et al., 2018; Gfrerer et 

al., 2013)

Exposure to a Dyrk1a inhibitor did not prevent proper neural crest migration, however,  the 

regions  of 

sox10

  expression  appeared  smaller.  This  could  be  due  to  fewer  neural  crest  cells  in  the 

branchial arches. Thus, it is possible that changes in craniofacial gene expression as well as the smaller 

size of the face, jaw muscle and cartilage could be explained by reduction in the number of cells during 

craniofacial development.  

One reason for fewer numbers of cells in the developing face could be a decrease in cell survival. 

Consistently,

 

we  found  that

  Xenopus 

embryos  with  decreased  Dyrk1a  function  do  have  a  dramatic 

increase in apoptosis in the developing head, indicating that this protein could indeed be required for 

cell survival during face development. Dyrk1a has also been shown to have a similar role in cell survival 

in the developing brain and retina 

(Kim et al., 2017; Laguna et al., 2008; Willsey et al., 2020)

 Dyrk1a 

can promote cell survival by inactivating Caspase-9 via phosphorylation of the Thr125 site 

(Barallobre 

et al., 2014; Laguna et al., 2008)

 In doing so, Dyrk1a prevents the activation of the intrinsic apoptotic 

pathway  and  prevents  inappropriate  cell  death.  Consistently,  inactivation  of  Caspase-9  has  been 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

described in human cell lines as a mechanism to promote cell survival 

(Jeong et al., 2011)

Another 

mechanism by which Dyrk1a could be influencing apoptosis is via its regulation of pro-survival protein 

SIRT1 

(Guo  et  al.,  2010)

.    In  human  cells, 

DYRK1A  can  activate  SIRT1  which  in  turn  promotes 

deacetylation and the activation of p53. As a result, Dyrk1a acts to suppress p53 mediated cell death. 

Dyrk1a could also influence cell survival indirectly by its role in DNA repair.  For example, 

DYRK1A 

associates 

with  a  DNA  repair  protein,  RNF169,  and  thereby  promotes  homologous  recombination 

repair 

(Menon et al., 2019; Roewenstrunk et al., 2019)

In summary, Dyrk1a function could be essential 

to maintain cell survival by several mechanisms. Future experiments are required to pinpoint the precise 

means by which cells die in the developing facial tissue when this protein is not present. 

DYRK1A could also regulate cell numbers and growth in the face via its roles in the cell cycle.   

This protein has actually been shown to suppress cell cycle by modulating several cell cycle regulators  

such as D cyclins, CDK inhibitors, p53, the LIN52 subunit of DREAM complex as well as the spindle 

microtubules 

(Fernandez-Martinez  et  al.,  2015;  Iness  et  al.,  2019;  Litovchick  et  al.,  2011;  Liu  et  al., 

2014)

(Ananthapadmanabhan  et  al.,  2023)

.  Therefore,  Dyrk1a  deficiency  might  then  be  expected  to 

increase proliferation in the developing embryo. Certainly, this is true in the developing 

Xenopus

 brain 

where decreased Dyrk1a results in the increase in cell cycle markers 

(Willsey et al., 2020)

On the other 

hand,  Dyrk1a  inhibition  has  also  been  shown  to  suppress  cell  cycle  progression.  For  example,  in 

glioblastoma cells a moderate level of DYRK1A inhibition leads to increased proliferation as expected, 

but  in contrast,  high levels of DYRK1A inhibition results in cell cycle arrest 

(Recasens et al., 2021)

.  

Therefore, how Dyrk1a regulates cell proliferation could depend on the context and dose of this protein. 

In our experiments we noted a minor but significant decrease in mitotic marker phospho-histone H3 in 

the faces of embryos injected with 

dyrk1a

 MO or exposed to Dyrk1a inhibitors.  This could be due to a 

direct  inhibitory  effect  on  cell  cycle  progression  or  perhaps  an  indirect  effect  caused  by  excess 

apoptosis and/or decreased expression of craniofacial regulators.   

  Together, our results indicate that a reduction in Dyrk1a function causes craniofacial defects 

including  a  narrower  face,  smaller  jaw  cartilage  and  muscle  and  decreased  cranial  neural  crest 

expression  domains.  These  changes  correlate  with  fewer  mitotic  cells  and  a  significant  increase  in 

apoptosis in the developing facial tissues. 

Our work demonstrates the possibility that embryos with a 

lower dose of Dyrk1a have an insufficient number of cells which affects the morphology of the face.  

This insufficiency could be due to a number of mechanisms affecting cell survival, cell proliferation 

and gene expression and could be further elucidated in future work. 

  

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

 

 

Acknowledgements 

I would like to thank: 1) Nicole Cheng, a lab technician and undergraduate student researcher who took pictures 

and helped quantify of orofacial morphology.  2) Animal care technicians Deborah Howton and Leona Bhandari. 

3) Allyson Kennedy for identifying Dyrk1a in a screen and performing the first INDY exposures in the lab. We 

are also very thankful to the VCU Children’s Hospital Research Institute for providing funding that allowed us to 

finish this work. 

Funding 

This worked was supported by R01DE023553 (NIDCR) to AD,  R21HD105144 (NICHD) to LL and AD,  VCU 

Children’s Hospital Research Institute internal award to LL and AD, and postdoctoral award 

F32HD091977

 to 

SW (mentor AD). 

 

 

 

 

 

 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Figure 1

 

 

 

Figure 1:

 

DECIPHER analysis of phenotypes in patients with DYRK1A gene variants. A)

 Pie chart showing 

that  31.25  %  (green)    loss  of  function  sequence  variants  had  structural  changes  in  the  craniofacial  region 
(n=15/48 patients).  

B)

 62.5% (green) of patients identified with loss of function DYRK1A sequence variants had 

a  craniofacial  difference  (n=25/40  patients). 

C)

  32.3  %  (blue)  of  patients  with  DYRK1A  CNVs  had  structural 

changes in the craniofacial region (n=21/65).  

D)

 64.3% (blue) of patients identified with loss of function DYRK1A 

CNVs had some type of craniofacial phenotype (n=18/28). 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Figure 2

  

Figure 2:

 

Dyrk1a expression in the craniofacial regions of  X. laevis embryos.

  A) Representative frontal 

and lateral views (anterior to left) of embryos showing 

dyrk1 

mRNA expression using in situ hybridization at three 

time points.  

i,ii)

 stage 25 (n=27, 2 experiments).  

iii, iv)

 stage 32 (n=29, 2 experiments). 

v,vi)

 stage 35 (n=30, 

2  experiments). 

B)

  Representative  embryos  showing  Dyrk1

 

protein  expression  by  immunofluorescence.  All 

images  are  sagittal  sections  (anterior  to  the  left)  with  Dyrk1a  labeled  green  and  DAPI  labeled  blue. 
Representatives are shown from 18-20 embryos in 2 experiments. 

i-iv)

  stage 25. 

v-viii)

 stage 32. 

ix-xii)

 stage 

40.   

C)

  Plot  of  relative  expression  of 

dyrk1a.L

  mRNA  and  Dyrk1a.L  protein  generated  in  Xenbase.org 

(

(http://www.xenbase.org/, RRID:SCR_003280). D) Ventral view of a representative embryo labeled with Dyrk1a 

antibody at stage 43 (anterior is to the top, 

Dyrk1a=green and DAPI=blue)

.  Based on 20 embryos in 2 biological 

replicates.  

Abbreviations: ves=vesicle, ba’s=branchial arches, fg=foregut, noto=notochord, ov=otic vesicle.

 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Figure 3 

 

 

Figure 3:

 

Decreased Dyrk1a function causes craniofacial differences

.  

Ai)

 Schematic showing 

dyrk1a

 MO 

injection. Aii-v

)

 Frontal views of representative embryos injected with increasing concentrations of 

dyrk1a

 MOs.  

Bi)

 Schematic showing Dyrk1a inhibitor treatments. 

Bii-ix)

 Frontal views of representative embryos treated with 

increasing concentrations of INDY or harmine. 

C) 

Quantification of the intercanthal distance (distance between 

the eyes) based on 60 embryos in 3 biological replicates (ANOVA, TUKEY posthoc tests, all p values <0.001). 

C)

 Schematic showing DYRK1A in vitro activity assay protocol to assess effectiveness of Dyrk1a knockdown 

tools.  

E)

 Western blots showing phosphorylated LIN52 on serine residue 28.   Vinculin was used as a loading 

control. 

Fi-ii

) Representative tissue sections through the head in control (i) and INDY treated embryos (ii). Based 

on 10 embryos in 2 biological replicates.

 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Figure 4 

  

Figure 4: 

 

Dyrk1a in jaw cartilage and muscle development

.

 A) 

Schematic of the injection protocol. 

B) 

Schematic  of  the  exposure  protocol. 

Ci-iii)

  Alcian  blue  labeling  of  cartilages  of  representative 

embryos (ventral views)  injected with dyrk1a MOs or treated with INDY.  Based on examination of 40 
embryos  (2  biological  replicates).  Abbreviations:  cg=cement  gland,  ch=ceratohyal,  ir=  infrarostral, 
Mk

=Meckel’s,  br=branchial. 

Civ-vii)

  Muscle  specific  labeling  (12/101)  of  representative  embryos 

(ventral views) injected with dyrk1a MOs or treated with INDY.  Based on examination of 36 embryos 
(2  biological  replicates).  Abbreviations;

 

qha=  quadratohyoangularis,  oh=  orbitohyoideus,  lm=levator 

mandibulae, gh= geniohyoidues. 

Di-iii)

 Double labeling of a representative tissue section through the 

head.  Dyrk1a is labeled green and Collagen II is labeled pink.  Collagen II labels cells of the craniofacial 
cartilages.  Based on 20 embryos (2 biological replicates). 

Ei-iii) 

Double  labeling of  a representative 

tissue whole mount embryo of the head.  Dyrk1a is labeled green and muscle (12/101) is labeled pink. 
Based on 20 embryos (2 biological replicates)

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Figure 5

 

 

Figure 5:  Decreased Dyrk1a function results in changes to craniofacial regulators and neural 
crest. A) 

Schematic of the experimental plan.

  B) 

Results of RT-qPCR showing expression levels of 

craniofacial  regulators.  Levels  are  shown  relative  to  controls  set  to  1  (blue  line).  Two  biological 
replicates  were  performed  and  variation  between  the  two  is  represented  by  the  error  bar  (standard 
error).  Each  biological  replicate  is  an  average  of  3  technical  replicates.  Error  bars  are 

alx4

  =  0.20, 

crabp2

 = 0.50, 

gbx2

 = 0.11, 

pax3

 = 0.11, 

rarg

 = 0.32, and 

sox9

 =0.05.  C) i) Lateral view of the head, 

anterior to the left, of  a representative 

sox10

-GFP transgenic embryo exposed to control DMSO. ii) 

Magnified image of the anterior branchial arch sox10 expression domain in i outlined in white. iii) Lateral 
view  of  the  head,  anterior  to  the  left,  of  a  representative 

sox10

-GFP  transgenic  embryo exposed  to 

INDY. iv) Magnified image of the anterior branchial arch 

sox10

 expression domain in iii outlined in white. 

 

 

B

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Figure 6 

 

Figure 6: Decreased Dyrk1a  function alters cell survival and proliferation

A)

 Schematic shows 

the experimental design where fluorescein labeled MOs (dyrk1a or control) were injected in one cell at 
the 2-cell stage and then embryos were fixed, sectioned and labeled. 

Bi-iii)

 Representative sections 

showing  CC3  labeling  (pink),  Control  MO  (green)  and  DAPI  counterstain. 

Biv)

  Quantification  of  20 

embryos  (2  replicates)  showing  no  statistical  difference  between  CC3  labeling  on  the  control  MO 
injected  sides  versus  the uninjected  sides  (ttest, p=0.314). 

Bv-vii)

 Representative  sections  showing 

CC3 labeling (pink), 

dyrk1a

 MO (green) and DAPI counterstain. 

Bviii) 

Quantification of 20 embryos (2 

replicates) showing a statistical difference between labeling on the 

dyrk1a

 MO injected sides verses 

the  uninjected  sides  (ttest,  *p<0.001). 

Ci-iii)

  Representative  sections  showing  PH3  labeling  (pink), 

Control  MO  (green)  and  DAPI  counterstain  (blue). 

Civ)

  Quantification  of  20  embryos  (2  replicates) 

showing  no  statistical difference between  CC3  labeling on  the  control  MO  injected  sides  versus the 
uninjected sides (ttest, p=0.333). 

Cv-vii)

 Representative sections showing PH3 labeling (pink), 

dyrk1a 

MO (green) and DAPI counterstain (blue). 

Cviii)

 Quantification of 20 embryos (2 replicates) showing a 

statistical  difference  between  labeling  on  the 

dyrk1a

  MO  injected  sides  verses  the  uninjected  sides 

(ttest, *p<0.001). 

D)

 Schematic of the experimental design where embryos were treated with INDY or 

Harmine and fixed, sectioned and labeled. 

Ei-vi)

 Representative sections from embryos, treated with 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

INDY  or  Harmine,  showing  CC3  labeling  (green),  and  DAPI  counterstain  CC3  (green). 

Evii)

 

Quantification of 20 embryos (2 replicates) shows statistical differences in CC3 labeling between control 
and INDY and control and Harmine (Kruskal-Wallis One Way Analysis of Variance on Ranks p<0.001, 
TUKEY  posthoc  tests,  control  vs  INDY  *=p<0.001  and  control  vs  harmine  *=p<0.001). 

Fi-vi)

 

Representative sections from embryos, treated with INDY or Harmine, showing PH3 labeling (green), 
and DAPI counterstain. 

Fvii)

 Quantification of 20 embryos (2 replicates) shows statistical differences 

in PH3 labeling between control and INDY and control and Harmine (Kruskal-Wallis One Way Analysis 
of  Variance  on  Ranks  p<0.001,  TUKEY  posthoc  tests,  control  vs  INDY  *=p<0.001  and  control  vs 
harmine *=p<0.001). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Supplemental Figure 1 

 

Supplemental Figure 1

A)

 Dyrk1a.L and Dyrk1a.S protein alignment (96% similarity). 

B)

 Relative dyrk1a.L 

and dyrk1a.S mRNA expression over time (generated by Xenbase.org, (

Bowes et al., 2008

)). 

C)

 Dyrk1a.L and 

human DYRK1A protein (isoform 2, NP_001334650.1) alignment (94% similarity). 

  

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Supplemental Figure 2

 

 

 

Supplemental  Figure  2:

  A)  Sense  control  probe  for 

dyrk1a

  does  not  label  tissues.  B-D) 

Immunofluorescence controls where no DYRK1A primary antibody was added shows no signal at the 
same confocal settings used to collect images where primary was included.  E-G) Dyrk1a and alpha 
tubulin double labeling indicates DYRK1A antibody labels cilia. H) Schematic to show the experimental 
plan  to  overexpress  dyrk1a  in  half  the  embryo.  I)  DYRK1A  antibody  labeling  (red)  on  the  right  side 
(white arrowhead). 

 

 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

 

Supplemental Table 1 

 

Supplemental Table 1.

 Primer sequences used for RT-qPCR 

Gene 

Primer sequences 

pax3

 

PAX3.L-L

  AGAATTTAAAAGAGACAACCCGG 

PAX3.L-R

  GCTTTGCTCTCTTCTCGCTC 

 

sox9 

SOX9.L-L ACGCTGGGGAAGTTATGGAG 
SOX9.L-R CTCTCTGCTTCCTCCACGAA 
 

gbx2 

GBX2.2L-L CACCTTGCTGCCTTTCTCTG 
GBX2.2L-R TCCTTCTGCTTCCTTCCCAG 
 

alx4 

ALX4.L-L AGCCGACTCACCTCTACATG 
ALX4.L-R GGGGTCAAGGAGCTCTCTTT 
 

rarg 

RARG.L-L CCGTGACAAGAACTGCCAAA 
RARG.L-R TGTTCCTGTCATTTCTCACCG 
 

crabp2 

CRABP2.L-L  AGAGAACTTCGAGGAGATGCT 
CRABP2.L-R  TCCTGCTTTATCTCCACTGCT 
 

 

  

 

 

 

 

 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

 

References

 

 

Adams, D.S., Uzel, S.G., Akagi, J., Wlodkowic, D., Andreeva, V., Yelick, P.C., Devitt-Lee, A., 
Pare, J.F., Levin, M., 2016. Bioelectric signalling via potassium channels: a mechanism for 
craniofacial dysmorphogenesis in KCNJ2-associated Andersen-Tawil Syndrome. J Physiol 594, 
3245-3270. 
 
Alkobtawi, M., Ray, H., Barriga, E.H., Moreno, M., Kerney, R., Monsoro-Burq, A.H., Saint-
Jeannet, J.P., Mayor, R., 2018. Characterization of Pax3 and Sox10 transgenic Xenopus laevis 
embryos as tools to study neural crest development. Dev Biol 444 Suppl 1, S202-s208. 
 
Ananthapadmanabhan, V., Shows, K.H., Dickinson, A.J., Litovchick, L., 2023. Insights from the 
protein interaction Universe of the multifunctional "Goldilocks" kinase DYRK1A. Front Cell Dev 
Biol 11, 1277537. 
 
Arron, J.R., Winslow, M.M., Polleri, A., Chang, C.P., Wu, H., Gao, X., Neilson, J.R., Chen, L., 
Heit, J.J., Kim, S.K., Yamasaki, N., Miyakawa, T., Francke, U., Graef, I.A., Crabtree, G.R., 2006. 
NFAT dysregulation by increased dosage of DSCR1 and DYRK1A on chromosome 21. Nature 
441, 595-600. 
 
Asher, J.H., Jr., Sommer, A., Morell, R., Friedman, T.B., 1996. Missense mutation in the paired 
domain of PAX3 causes craniofacial-deafness-hand syndrome. Hum Mutat 7, 30-35. 
 
Atas-Ozcan, H., Brault, V., Duchon, A., Herault, Y., 2021. Dyrk1a from Gene Function in 
Development and Physiology to Dosage Correction across Life Span in Down Syndrome. 
Genes (Basel) 12. 
 
Bajpai, R., Chen, D.A., Rada-Iglesias, A., Zhang, J., Xiong, Y., Helms, J., Chang, C.P., Zhao, 
Y., Swigut, T., Wysocka, J., 2010. CHD7 cooperates with PBAF to control multipotent neural 
crest formation. Nature 463, 958-962. 
 
Barallobre, M.J., Perier, C., Bové, J., Laguna, A., Delabar, J.M., Vila, M., Arbonés, M.L., 2014. 
DYRK1A promotes dopaminergic neuron survival in the developing brain and in a mouse model 
of Parkinson's disease. Cell Death Dis 5, e1289. 
 
Blackburn, A.T.M., Bekheirnia, N., Uma, V.C., Corkins, M.E., Xu, Y., Rosenfeld, J.A., 
Bainbridge, M.N., Yang, Y., Liu, P., Madan-Khetarpal, S., Delgado, M.R., Hudgins, L., Krantz, I., 
Rodriguez-Buritica, D., Wheeler, P.G., Al-Gazali, L., Mohamed Saeed Mohamed Al Shamsi, A., 
Gomez-Ospina, N., Chao, H.T., Mirzaa, G.M., Scheuerle, A.E., Kukolich, M.K., Scaglia, F., Eng, 
C., Willsey, H.R., Braun, M.C., Lamb, D.J., Miller, R.K., Bekheirnia, M.R., 2019. DYRK1A-
related intellectual disability: a syndrome associated with congenital anomalies of the kidney 
and urinary tract. Genet Med 21, 2755-2764. 
 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Bowes, J.B., Snyder, K.A., Segerdell, E., Gibb, R., Jarabek, C., Noumen, E., Pollet, N., Vize, 
P.D., 2008. Xenbase: a Xenopus biology and genomics resource. Nucleic Acids Res 36, D761-
767. 
 
Bush, J.O., Jiang, R., 2012. Palatogenesis: morphogenetic and molecular mechanisms of 
secondary palate development. Development 139, 231-243. 
 
Cordero, D.R., Brugmann, S., Chu, Y., Bajpai, R., Jame, M., Helms, J.A., 2011. Cranial neural 
crest cells on the move: their roles in craniofacial development. Am J Med Genet A 155A, 270-
279. 
 
Devotta, A., Juraver-Geslin, H., Gonzalez, J.A., Hong, C.S., Saint-Jeannet, J.P., 2016. Sf3b4-
depleted Xenopus embryos: A model to study the pathogenesis of craniofacial defects in Nager 
syndrome. Dev Biol 415, 371-382. 
 
Di Vona, C., Bezdan, D., Islam, A.B., Salichs, E., López-Bigas, N., Ossowski, S., de la Luna, S., 
2015. Chromatin-wide profiling of DYRK1A reveals a role as a gene-specific RNA polymerase II 
CTD kinase. Mol Cell 57, 506-520. 
 
Dickinson, A.J., 2016. Using frogs faces to dissect the mechanisms underlying human orofacial 
defects. Semin Cell Dev Biol 51, 54-63. 
 
Dickinson, A.J.G., 2023. Jak2 and Jaw Muscles Are Required for Buccopharyngeal Membrane 
Perforation during Mouth Development. J Dev Biol 11. 
 
Dubey, A., Rose, R.E., Jones, D.R., Saint-Jeannet, J.P., 2018. Generating retinoic acid 
gradients by local degradation during craniofacial development: One cell's cue is another cell's 
poison. Genesis 56. 
 
Dubey, A., Saint-Jeannet, J.P., 2017. Modeling human craniofacial disorders in Xenopus. Curr 
Pathobiol Rep 5, 79-92. 
 
Dudas, M., Li, W.Y., Kim, J., Yang, A., Kaartinen, V., 2007. Palatal fusion - where do the midline 
cells go? A review on cleft palate, a major human birth defect. Acta Histochem 109, 1-14. 
 
Ehe, B.K., Lamson, D.R., Tarpley, M., Onyenwoke, R.U., Graves, L.M., Williams, K.P., 2017. 
Identification of a DYRK1A-mediated phosphorylation site within the nuclear localization 
sequence of the hedgehog transcription factor GLI1. Biochem Biophys Res Commun 491, 767-
772. 
 
Fernandez-Martinez, J., Vela, E.M., Tora-Ponsioen, M., Ocaña, O.H., Nieto, M.A., Galceran, J., 
2009. Attenuation of Notch signalling by the Down-syndrome-associated kinase DYRK1A. J Cell 
Sci 122, 1574-1583. 
 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Fernandez-Martinez, P., Zahonero, C., Sanchez-Gomez, P., 2015. DYRK1A: the double-edged 
kinase as a protagonist in cell growth and tumorigenesis. Mol Cell Oncol 2, e970048. 
 
Fotaki, V., Dierssen, M., Alcántara, S., Martínez, S., Martí, E., Casas, C., Visa, J., Soriano, E., 
Estivill, X., Arbonés, M.L., 2002. Dyrk1A haploinsufficiency affects viability and causes 
developmental delay and abnormal brain morphology in mice. Mol Cell Biol 22, 6636-6647. 
 
Francis-West, P.H., Robson, L., Evans, D.J.R., 2003. Craniofacial development : the tissue and 
molecular interactions that control development of the head. 
 
Gfrerer, L., Dougherty, M., Liao, E.C., 2013. Visualization of craniofacial development in the 
sox10: kaede transgenic zebrafish line using time-lapse confocal microscopy. J Vis Exp, 
e50525. 
 
Greenberg, R.S., Long, H.K., Swigut, T., Wysocka, J., 2019. Single Amino Acid Change 
Underlies Distinct Roles of H2A.Z Subtypes in Human Syndrome. Cell 178, 1421-1436.e1424. 
 
Guo, X., Williams, J.G., Schug, T.T., Li, X., 2010. DYRK1A and DYRK3 promote cell survival 
through phosphorylation and activation of SIRT1. J Biol Chem 285, 13223-13232. 
 
Hammerle, B., Ulin, E., Guimera, J., Becker, W., Guillemot, F., Tejedor, F.J., 2011. Transient 
expression of Mnb/Dyrk1a couples cell cycle exit and differentiation of neuronal precursors by 
inducing p27KIP1 expression and suppressing NOTCH signaling. Development 138, 2543-
2554. 
 
Helms, J.A., Cordero, D., Tapadia, M.D., 2005. New insights into craniofacial morphogenesis. 
Development 132, 851-861. 
 
Hong, J.Y., Park, J.I., Lee, M., Munoz, W.A., Miller, R.K., Ji, H., Gu, D., Ezan, J., Sokol, S.Y., 
McCrea, P.D., 2012. Down's-syndrome-related kinase Dyrk1A modulates the p120-catenin-
Kaiso trajectory of the Wnt signaling pathway. J Cell Sci 125, 561-569. 
 
Hwang, W.Y., Marquez, J., Khokha, M.K., 2019. Xenopus: Driving the Discovery of Novel 
Genes in Patient Disease and Their Underlying Pathological Mechanisms Relevant for 
Organogenesis. Front Physiol 10, 953. 
 
Iness, A.N., Felthousen, J., Ananthapadmanabhan, V., Sesay, F., Saini, S., Guiley, K.Z., Rubin, 
S.M., Dozmorov, M., Litovchick, L., 2019. The cell cycle regulatory DREAM complex is 
disrupted by high expression of oncogenic B-Myb. Oncogene 38, 1080-1092. 
 
Jacox, L., Sindelka, R., Chen, J., Rothman, A., Dickinson, A., Sive, H., 2014. The extreme 
anterior domain is an essential craniofacial organizer acting through Kinin-Kallikrein signaling. 
Cell Rep 8, 596-609. 
 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Jang, S.M., Azebi, S., Soubigou, G., Muchardt, C., 2014. DYRK1A phoshorylates histone H3 to 
differentially regulate the binding of HP1 isoforms and antagonize HP1-mediated transcriptional 
repression. EMBO Rep 15, 686-694. 
 
Jeong, H.S., Choi, H.Y., Lee, E.R., Kim, J.H., Jeon, K., Lee, H.J., Cho, S.G., 2011. Involvement 
of caspase-9 in autophagy-mediated cell survival pathway. Biochim Biophys Acta 1813, 80-90. 
 
Ji, J., Lee, H., Argiropoulos, B., Dorrani, N., Mann, J., Martinez-Agosto, J.A., Gomez-Ospina, N., 
Gallant, N., Bernstein, J.A., Hudgins, L., Slattery, L., Isidor, B., Le Caignec, C., David, A., 
Obersztyn, E., Wiśniowiecka-Kowalnik, B., Fox, M., Deignan, J.L., Vilain, E., Hendricks, E., 
Horton Harr, M., Noon, S.E., Jackson, J.R., Wilkens, A., Mirzaa, G., Salamon, N., Abramson, J., 
Zackai, E.H., Krantz, I., Innes, A.M., Nelson, S.F., Grody, W.W., Quintero-Rivera, F., 2015. 
DYRK1A haploinsufficiency causes a new recognizable syndrome with microcephaly, 
intellectual disability, speech impairment, and distinct facies. Eur J Hum Genet 23, 1473-1481. 
 
Karimi, K., Fortriede, J.D., Lotay, V.S., Burns, K.A., Wang, D.Z., Fisher, M.E., Pells, T.J., 
James-Zorn, C., Wang, Y., Ponferrada, V.G., Chu, S., Chaturvedi, P., Zorn, A.M., Vize, P.D., 
2018. Xenbase: a genomic, epigenomic and transcriptomic model organism database. Nucleic 
Acids Res 46, D861-d868. 
 
Kennedy, A.E., Dickinson, A.J., 2012. Median facial clefts in Xenopus laevis: roles of retinoic 
acid signaling and homeobox genes. Dev Biol 365, 229-240. 
 
Kennedy, A.E., Dickinson, A.J., 2014. Quantitative analysis of orofacial development and 
median clefts in Xenopus laevis. Anat Rec (Hoboken) 297, 834-855. 
 
Kim, O.H., Cho, H.J., Han, E., Hong, T.I., Ariyasiri, K., Choi, J.H., Hwang, K.S., Jeong, Y.M., 
Yang, S.Y., Yu, K., Park, D.S., Oh, H.W., Davis, E.E., Schwartz, C.E., Lee, J.S., Kim, H.G., Kim, 
C.H., 2017. Zebrafish knockout of Down syndrome gene, DYRK1A, shows social impairments 
relevant to autism. Mol Autism 8, 50. 
 
Laguna, A., Aranda, S., Barallobre, M.J., Barhoum, R., Fernández, E., Fotaki, V., Delabar, J.M., 
de la Luna, S., de la Villa, P., Arbonés, M.L., 2008. The protein kinase DYRK1A regulates 
caspase-9-mediated apoptosis during retina development. Dev Cell 15, 841-853. 
 
Lasser, M., Pratt, B., Monahan, C., Kim, S.W., Lowery, L.A., 2019. The Many Faces of 
Xenopus: Xenopus laevis as a Model System to Study Wolf-Hirschhorn Syndrome. Front 
Physiol 10, 817. 
 
Lee, Y.H., Saint-Jeannet, J.P., 2011. Sox9 function in craniofacial development and disease. 
Genesis 49, 200-208. 
 
Litovchick, L., Florens, L., Swanson, S.K., Washburn, M.P., DeCaprio, J.A., 2011. DYRK1A 
protein kinase promotes quiescence and senescence through DREAM complex assembly. 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

Genes Dev 25, 801 - 813. 
 
Liu, Q., Liu, N., Zang, S., Liu, H., Wang, P., Ji, C., Sun, X., 2014. Tumor suppressor DYRK1A 
effects on proliferation and chemoresistance of AML cells by downregulating c-Myc. PLoS One 
9, e98853. 
 
Maczkowiak, F., Matéos, S., Wang, E., Roche, D., Harland, R., Monsoro-Burq, A.H., 2010. The 
Pax3 and Pax7 paralogs cooperate in neural and neural crest patterning using distinct 
molecular mechanisms, in Xenopus laevis embryos. Dev Biol 340, 381-396. 
 
McElyea, S.D., Starbuck, J.M., Tumbleson-Brink, D.M., Harrington, E., Blazek, J.D., Ghoneima, 
A., Kula, K., Roper, R.J., 2016. Influence of prenatal EGCG treatment and Dyrk1a dosage 
reduction on craniofacial features associated with Down syndrome. Hum Mol Genet 25, 4856-
4869. 
 
Menon, V.R., Ananthapadmanabhan, V., Swanson, S., Saini, S., Sesay, F., Yakovlev, V., 
Florens, L., DeCaprio, J.A., M, P.W., Dozmorov, M., Litovchick, L., 2019. DYRK1A regulates the 
recruitment of 53BP1 to the sites of DNA damage in part through interaction with RNF169. Cell 
Cycle 18, 531-551. 
 
Mills, A., Bearce, E., Cella, R., Kim, S.W., Selig, M., Lee, S., Lowery, L.A., 2019. Wolf-
Hirschhorn Syndrome-Associated Genes Are Enriched in Motile Neural Crest Cells and Affect 
Craniofacial Development in Xenopus laevis. Front Physiol 10, 431. 
 
Minoux, M., Rijli, F.M., 2010. Molecular mechanisms of cranial neural crest cell migration and 
patterning in craniofacial development. Development 137, 2605-2621. 
 
Mohammadparast, S., Chang, C., 2022. Ash2l, an obligatory component of H3K4 methylation 
complexes, regulates neural crest development. Dev Biol 492, 14-24. 
 
Monsoro-Burq, A.H., Wang, E., Harland, R., 2005. Msx1 and Pax3 cooperate to mediate FGF8 
and WNT signals during Xenopus neural crest induction. Dev Cell 8, 167-178. 
 
Morriss-Kay, G., 1993. Retinoic acid and craniofacial development: molecules and 
morphogenesis. Bioessays 15, 9-15. 
 
Nieuwkoop, P.D., Faber, J., 1967. Normal Table of Xenopus Laevis (Daudin). 
 
Nieuwkoop, P.D., Faber, J., 1994. Normal Table of Xenopus laevis (Daudin). 
 
Ossipova, O., Kerney, R., Saint-Jeannet, J.P., Sokol, S.Y., 2018. Regulation of neural crest 
development by the formin family protein Daam1. Genesis 56, e23108. 
 
Parast, S.M., Yu, D., Chen, C., Dickinson, A.J., Chang, C., Wang, H., 2023. Recognition of 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

H2AK119ub plays an important role in RSF1-regulated early Xenopus development. Front Cell 
Dev Biol 11, 1168643. 
 
Recasens, A., Humphrey, S.J., Ellis, M., Hoque, M., Abbassi, R.H., Chen, B., Longworth, M., 
Needham, E.J., James, D.E., Johns, T.G., Day, B.W., Kassiou, M., Yang, P., Munoz, L., 2021. 
Global phosphoproteomics reveals DYRK1A regulates CDK1 activity in glioblastoma cells. Cell 
Death Discov 7, 81. 
 
Redhead, Y., Gibbins, D., Lana-Elola, E., Watson-Scales, S., Dobson, L., Krause, M., Liu, K.J., 
Fisher, E.M.C., Green, J.B.A., Tybulewicz, V.L.J., 2023. Craniofacial dysmorphology in Down 
syndrome is caused by increased dosage of Dyrk1a and at least three other genes. 
Development 150. 
 
Roewenstrunk, J., Di Vona, C., Chen, J., Borras, E., Dong, C., Arato, K., Sabido, E., Huen, 
M.S.Y., de la Luna, S., 2019. A comprehensive proteomics-based interaction screen that links 
DYRK1A to RNF169 and to the DNA damage response. Sci Rep 9, 6014. 
 
Sive, H.L., Grainger, R., Harlard, R., 2000. Early development of Xenopus laevis: a laboratory 
manual. 
 
Sive, H.L., Grainger, R.M., Harland, R.M., 2010. Microinjection of Xenopus embryos. Cold 
Spring Harb Protoc 2010, pdb ip81. 
 
Spokony, R.F., Aoki, Y., Saint-Germain, N., Magner-Fink, E., Saint-Jeannet, J.P., 2002. The 
transcription factor Sox9 is required for cranial neural crest development in Xenopus. 
Development 129, 421-432. 
 
Stringer, M., Goodlett, C.R., Roper, R.J., 2017. Targeting trisomic treatments: optimizing Dyrk1a 
inhibition to improve Down syndrome deficits. Mol Genet Genomic Med 5, 451-465. 
 
Sullivan, K.G., Levin, M., 2016. Neurotransmitter signaling pathways required for normal 
development in Xenopus laevis embryos: a pharmacological survey screen. J Anat 229, 483-
502. 
 
Suzuki, A., Sangani, D.R., Ansari, A., Iwata, J., 2016. Molecular mechanisms of midfacial 
developmental defects. Dev Dyn 245, 276-293. 
 
Tahir, R., Kennedy, A., Elsea, S.H., Dickinson, A.J., 2014. Retinoic acid induced-1 (Rai1) 
regulates craniofacial and brain development in Xenopus. Mech Dev 133, 91-104. 
 
van Bon BWM, C.B., de Vries BBA et al., 2015 Dec 17 [Updated 2021 Mar 18]. DYRK1A 
Syndrome. 
 
Van Otterloo, E., Williams, T., Artinger, K.B., 2016. The old and new face of craniofacial 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.01.13.575394v1.full-html.html
background image

research: How animal models inform human craniofacial genetic and clinical data. Dev Biol 415, 
171-187. 
 
Vandenberg, L.N., Adams, D.S., Levin, M., 2012. Normalized shape and location of perturbed 
craniofacial structures in the Xenopus tadpole reveal an innate ability to achieve correct 
morphology. Dev Dyn 241, 863-878. 
 
Wahl, S.E., Kennedy, A.E., Wyatt, B.H., Moore, A.D., Pridgen, D.E., Cherry, A.M., Mavila, C.B., 
Dickinson, A.J., 2015. The role of folate metabolism in orofacial development and clefting. Dev 
Biol 405, 108-122. 
 
Widowati, E.W., Ernst, S., Hausmann, R., Müller-Newen, G., Becker, W., 2018. Functional 
characterization of DYRK1A missense variants associated with a syndromic form of intellectual 
deficiency and autism. Biol Open 7. 
 
Williams, A.L., Bohnsack, B.L., 2019. What's retinoic acid got to do with it? Retinoic acid 
regulation of the neural crest in craniofacial and ocular development. Genesis 57, e23308. 
 
Willsey, H.R., Xu, Y., Everitt, A., Dea, J., Exner, C.R.T., Willsey, A.J., State, M.W., Harland, 
R.M., 2020. Neurodevelopmental disorder risk gene DYRK1A is required for ciliogenesis and 
brain size in Xenopus embryos. Development. 
 
Wu, Y., Kurosaka, H., Wang, Q., Inubushi, T., Nakatsugawa, K., Kikuchi, M., Ohara, H., 
Tsujimoto, T., Natsuyama, S., Shida, Y., Sandell, L.L., Trainor, P.A., Yamashiro, T., 2022. 
Retinoic Acid Deficiency Underlies the Etiology of Midfacial Defects. J Dent Res 101, 686-694. 
 
Wyatt, B.H., Raymond, T.O., Lansdon, L.A., Darbro, B.W., Murray, J.C., Manak, J.R., Dickinson, 
A.J.G., 2020. Using an aquatic model, Xenopus laevis, to uncover the role of chromodomain 1 
in craniofacial disorders. Genesis, e23394. 
 
Yu, D., Cattoglio, C., Xue, Y., Zhou, Q., 2019. A complex between DYRK1A and DCAF7 
phosphorylates the C-terminal domain of RNA polymerase II to promote myogenesis. Nucleic 
Acids Res 47, 4462-4475. 
 
 

(which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. 

The copyright holder for this preprint

this version posted January 14, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.01.13.575394

doi: 

bioRxiv preprint