Genetic robustness, or the ability of an organism to maintain fitness in the presence of harmful mutations, can be achieved via protein feedback loops. Previous work has suggested that organisms may also respond to mutations by transcriptional adaptation, a process by which related gene(s) are upregulated independently of protein feedback loops. However, the prevalence of transcriptional adaptation and its underlying molecular mechanisms are unknown. Here, by analysing several models of transcriptional adaptation in zebrafish and mouse, we uncover a requirement for mutant mRNA degradation. Alleles that fail to transcribe the mutated gene do not exhibit transcriptional adaptation, and these alleles give rise to more severe phenotypes than alleles displaying mutant mRNA decay. Transcriptome analysis in alleles displaying mutant mRNA decay reveals the upregulation of a substantial proportion of the genes that exhibit sequence similarity with the mutated gene's mRNA, suggesting a sequence-dependent mechanism. These findings have implications for our understanding of disease-causing mutations, and will help in the design of mutant alleles with minimal transcriptional adaptation-derived compensation. Transcriptional adaptation, a genetic compensation process by which organisms respond to mutations by upregulating related genes, is triggered by mRNA decay and involves a sequence-dependent mechanism.

Genetic compensation by transcriptional modulation of related gene(s) (also known as transcriptional adaptation) has been reported in numerous systems 1–3 ; however, whether and how such a response can be activated in the absence of protein feedback loops is unknown. Here, we develop and analyze several models of transcriptional adaptation in zebrafish and mouse that we show are not caused by loss of protein function. We find that the increase in transcript levels is due to enhanced transcription, and observe a correlation between the levels of mutant mRNA decay and transcriptional upregulation of related genes. To assess the role of mutant mRNA degradation in triggering transcriptional adaptation, we use genetic and pharmacological approaches and find that mRNA degradation is indeed required for this process. Notably, uncapped RNAs, themselves subjected to rapid degradation, can also induce transcriptional adaptation. Next, we generate alleles that fail to transcribe the mutated gene and find that they do not show transcriptional adaptation, and exhibit more severe phenotypes than those observed in alleles displaying mutant mRNA decay. Transcriptome analysis of these different alleles reveals the upregulation of hundreds of genes with enrichment for those showing sequence similarity with the mutated gene’s mRNA, suggesting a model whereby mRNA degradation products induce the response via sequence similarity. These results expand the role of the mRNA surveillance machinery in buffering against mutations by triggering the transcriptional upregulation of related genes. Besides implications for our understanding of disease-causing mutations, our findings will help design mutant alleles with minimal transcriptional adaptation-derived compensation.

Abstract The innate immune response is triggered rapidly after injury and its spatiotemporal dynamics are critical for regeneration; however, many questions remain about its exact role. Here we show that MyD88, a key component of the innate immune response, controls not only the inflammatory but also the fibrotic response during zebrafish cardiac regeneration. We find in cryoinjured myd88 −/− ventricles a significant reduction in neutrophil and macrophage numbers and the expansion of a collagen-rich endocardial population. Further analyses reveal compromised PI3K/AKT pathway activation in the myd88 −/− endocardium and increased myofibroblasts and scarring. Notably, endothelial-specific overexpression of myd88 reverses these neutrophil, fibrotic and scarring phenotypes. Mechanistically, we identify the endocardial-derived chemokine gene cxcl18b as a target of the MyD88 signaling pathway, and using loss-of-function and gain-of-function tools, we show that it controls neutrophil recruitment. Altogether, these findings shed light on the pivotal role of MyD88 in modulating inflammation and fibrosis during tissue regeneration.