Systems-level identification and analysis of cellular circuits in the brain will require the development of whole-brain imaging with single-cell resolution. To this end, we performed comprehensive chemical screening to develop a whole-brain clearing and imaging method, termed CUBIC (clear, unobstructed brain imaging cocktails and computational analysis). CUBIC is a simple and efficient method involving the immersion of brain samples in chemical mixtures containing aminoalcohols, which enables rapid whole-brain imaging with single-photon excitation microscopy. CUBIC is applicable to multicolor imaging of fluorescent proteins or immunostained samples in adult brains and is scalable from a primate brain to subcellular structures. We also developed a whole-brain cell-nuclear counterstaining protocol and a computational image analysis pipeline that, together with CUBIC reagents, enable the visualization and quantification of neural activities induced by environmental stimulation. CUBIC enables time-course expression profiling of whole adult brains with single-cell resolution.

Outside cells of the preimplantation mouse embryo form the trophectoderm (TE), a process requiring the transcription factor Tead4. Here, we show that transcriptionally active Tead4 can induce Cdx2 and other trophoblast genes in parallel in embryonic stem cells. In embryos, the Tead4 coactivator protein Yap localizes to nuclei of outside cells, and modulation of Tead4 or Yap activity leads to changes in Cdx2 expression. In inside cells, Yap is phosphorylated and cytoplasmic, and this involves the Hippo signaling pathway component Lats. We propose that active Tead4 promotes TE development in outside cells, whereas Tead4 activity is suppressed in inside cells by cell contact- and Lats-mediated inhibition of nuclear Yap localization. Thus, differential signaling between inside and outside cell populations leads to changes in cell fate specification during TE formation.

IL-33, a member of the IL-1-related cytokines, is considered to be a proallergic cytokine that is especially involved in Th2-type immune responses. Moreover, like IL-1α, IL-33 has been suggested to act as an “alarmin” that amplifies immune responses during tissue injury. In contrast to IL-1, however, the precise roles of IL-33 in those settings are poorly understood. Using IL-1- and IL-33-deficient mice, we found that IL-1, but not IL-33, played a substantial role in induction of T cell-mediated type IV hypersensitivity such as contact and delayed-type hypersensitivity and autoimmune diseases such as experimental autoimmune encephalomyelitis. Most notably, however, IL-33 was important for innate-type mucosal immunity in the lungs and gut. That is, IL-33 was essential for manifestation of T cell-independent protease allergen-induced airway inflammation as well as OVA-induced allergic topical airway inflammation, without affecting acquisition of antigen-specific memory T cells. IL-33 was significantly involved in the development of dextran-induced colitis accompanied by T cell-independent epithelial cell damage, but not in streptozocin-induced diabetes or Con A-induced hepatitis characterized by T cell-mediated apoptotic tissue destruction. In addition, IL-33-deficient mice showed a substantially diminished LPS-induced systemic inflammatory response. These observations indicate that IL-33 is a crucial amplifier of mucosal and systemic innate, rather than acquired, immune responses.

During pre-implantation mouse development, embryos form blastocysts with establishment of the first two cell lineages: the trophectoderm (TE) which gives rise to the placenta, and the inner cell mass (ICM) which will form the embryo proper. Differentiation of TE is regulated by the transcription factor Caudal-related homeobox 2 (Cdx2), but the mechanisms which act upstream of Cdx2 expression remain unknown. Here we show that the TEA domain family transcription factor, Tead4, is required for TE development. Tead1, Tead2 and Tead4 were expressed in pre-implantation embryos, and at least Tead1 and Tead4 were expressed widely in both TE and ICM lineages. Tead4−/− embryos died at pre-implantation stages without forming the blastocoel. The mutant embryos continued cell proliferation, and adherens junction and cell polarity were not significantly affected. In Tead4−/− embryos, Cdx2 was weakly expressed at the morula stage but was not expressed in later stages. None of the TE specific genes, including Eomes and a Cdx2 independent gene, Fgfr2, was detected in Tead4−/− embryos. Instead, the ICM specific transcription factors, Oct3/4 and Nanog, were expressed in all the blastomeres. Tead4−/− embryos also failed to differentiate trophoblast giant cells when they were cultured in vitro. ES cells with normal in vitro differentiation abilities were established from Tead4−/− embryos. These results suggest that Tead4 has a distinct role from Tead1 and Tead2 in trophectoderm specification of pre-implantation embryos, and that Tead4 is an early transcription factor required for specification and development of the trophectoderm lineage, which includes expression of Cdx2.

microRNA-9-2 and microRNA-9-3 double-mutant mice demonstrate that microRNA-9 ( miR-9 ) controls neural progenitor proliferation and differentiation in the developing telencephalon by regulating the expression of multiple transcription factors. As suggested by our previous study, the Foxg1 expression was elevated, and the production of Cajal-Retzius cells and early-born neurons was suppressed in the miR-9-2/3 double-mutant pallium. At embryonic day 16.5 (E16.5), however, the Foxg1 expression was no longer elevated. The expression of an AU-rich RNA-binding protein Elavl2 increased at E16.5, Elav2 associated with Foxg1 3′ untranslated region (UTR), and it countered the Foxg1 suppression by miR-9. Later, progenitor proliferation was reduced in the miR-9-2/3 double-mutant pallium with the decrease in Nr2e1 and Pax6 expression and the increase in Meis2 expression. The analyses suggest that microRNA-9 indirectly inhibits Pax6 expression by suppressing Meis2 expression. In contrast, together with Elavl1 and Msi1, microRNA-9 targets Nr2e1 mRNA 3′ UTR to enhance the expression. Concomitantly, cortical layers were reduced, each cortical projection was malformed, and the tangential migration of interneurons into the pallium was impaired in the miR-9-2/3 double mutants. miR-9 also targets Gsh2 3′ UTR, and Gsh2, as well as Foxg1, expression was elevated in the miR-9-2/3 double-mutant subpallium. The subpallium progenitor proliferation was enhanced, and the development of basal ganglia including striatum and globus pallidus was suppressed. Pallial/subpallial boundary shifted dorsally, and the ventral pallium was lost. Corridor was malformed, and thalamocortical and corticofugal axons were misrouted in the miR-9-2/3 double mutants.

The bioactive lysophospholipid mediator sphingosine-1-phosphate (S1P) promotes the egress of newly formed T cells from the thymus and the release of immature B cells from the bone marrow. It has remained unclear, however, where and how S1P is released. Here, we show that in mice, the S1P transporter spinster homolog 2 (Spns2) is responsible for the egress of mature T cells and immature B cells from the thymus and bone marrow, respectively. Global Spns2-KO mice exhibited marked accumulation of mature T cells in thymi and decreased numbers of peripheral T cells in blood and secondary lymphoid organs. Mature recirculating B cells were reduced in frequency in the bone marrow as well as in blood and secondary lymphoid organs. Bone marrow reconstitution studies revealed that Spns2 was not involved in S1P release from blood cells and suggested a role for Spns2 in other cells. Consistent with these data, endothelia-specific deletion of Spns2 resulted in defects of lymphocyte egress similar to those observed in the global Spns2-KO mice. These data suggest that Spns2 functions in ECs to establish the S1P gradient required for T and B cells to egress from their respective primary lymphoid organs. Furthermore, Spns2 could be a therapeutic target for a broad array of inflammatory and autoimmune diseases.

A series of conditional reporter mouse lines were established in which specific organelles were labeled with fluorescent proteins. Subcellular localization and intensity of 28 fluorescent fusion-protein constructs were surveyed in cell lines, and 16 constructs then were selected to generate mouse lines. The fusion cDNAs were inserted into the ROSA26 genomic locus next to the stop sequences flanked with loxP so that fluorescent proteins were expressed under the ubiquitous ROSA26 transcriptional machinery when the loxP sequences were recombined with Cre. The subcellular localization and intensity of the fusion product in each reporter mouse line were examined by ubiquitously expressing them in E7.5 embryos. Twelve reporter lines, that mark nucleus, mitochondria, Golgi apparatus, plasma membrane, microtubule, actin filament, and focal adhesion, were found suitable for live imaging. Distinct double staining was demonstrated for nucleus and plasma membrane or Golgi apparatus; clear time-lapse live images were obtained for nucleus and plasma membranes; conditional expression was confirmed on Lyn-Venus and H2B-mCherry lines in notochord with Not-Cre.

Recent genome-wide association studies demonstrated that common variants of solute carrier family 30 member 8 gene (SLC30A8) increase susceptibility to type 2 diabetes. SLC30A8 encodes zinc transporter-8 (ZnT8), which delivers zinc ion from the cytoplasm into insulin granules. Although it is well known that insulin granules contain high amounts of zinc, the physiological role of secreted zinc remains elusive. In this study, we generated mice with β cell-specific Slc30a8 deficiency (ZnT8KO mice) and demonstrated an unexpected functional linkage between Slc30a8 deletion and hepatic insulin clearance. The ZnT8KO mice had low peripheral blood insulin levels, despite insulin hypersecretion from pancreatic β cells. We also demonstrated that a substantial amount of the hypersecreted insulin was degraded during its first passage through the liver. Consistent with these findings, ZnT8KO mice and human individuals carrying rs13266634, a major risk allele of SLC30A8, exhibited increased insulin clearance, as assessed by c-peptide/insulin ratio. Furthermore, we demonstrated that zinc secreted in concert with insulin suppressed hepatic insulin clearance by inhibiting clathrin-dependent insulin endocytosis. Our results indicate that SLC30A8 regulates hepatic insulin clearance and that genetic dysregulation of this system may play a role in the pathogenesis of type 2 diabetes.