Molecular genetics approaches in zebrafish research are hampered by the lack of a ubiquitous transgene driver element that is active at all developmental stages. Here, we report the isolation and characterization of the zebrafish ubiquitin (ubi) promoter, which drives constitutive transgene expression during all developmental stages and analyzed adult organs. Notably, ubi expresses in all blood cell lineages, and we demonstrate the application of ubi-driven fluorophore transgenics in hematopoietic transplantation experiments to assess true multilineage potential of engrafted cells. We further generated transgenic zebrafish that express ubiquitous 4-hydroxytamoxifen-controlled Cre recombinase activity from a ubi:creERt2 transgene, as well as ubi:loxP-EGFP-loxP-mCherry (ubi:Switch) transgenics and show their use as a constitutive fluorescent lineage tracing reagent. The ubi promoter and the transgenic lines presented here thus provide a broad resource and important advancement for transgenic applications in zebrafish.

The "cancerized field" concept posits that cancer-prone cells in a given tissue share an oncogenic mutation, but only discreet clones within the field initiate tumors. Most benign nevi carry oncogenic BRAF(V600E) mutations but rarely become melanoma. The zebrafish crestin gene is expressed embryonically in neural crest progenitors (NCPs) and specifically reexpressed in melanoma. Live imaging of transgenic zebrafish crestin reporters shows that within a cancerized field (BRAF(V600E)-mutant; p53-deficient), a single melanocyte reactivates the NCP state, revealing a fate change at melanoma initiation in this model. NCP transcription factors, including sox10, regulate crestin expression. Forced sox10 overexpression in melanocytes accelerated melanoma formation, which is consistent with activation of NCP genes and super-enhancers leading to melanoma. Our work highlights NCP state reemergence as a key event in melanoma initiation.

CRISPR-Cas9 enables efficient sequence-specific mutagenesis for creating somatic or germline mutants of model organisms. Key constraints in vivo remain the expression and delivery of active Cas9-sgRNA ribonucleoprotein complexes (RNPs) with minimal toxicity, variable mutagenesis efficiencies depending on targeting sequence, and high mutation mosaicism. Here, we apply in vitro assembled, fluorescent Cas9-sgRNA RNPs in solubilizing salt solution to achieve maximal mutagenesis efficiency in zebrafish embryos. MiSeq-based sequence analysis of targeted loci in individual embryos using CrispRVariants, a customized software tool for mutagenesis quantification and visualization, reveals efficient bi-allelic mutagenesis that reaches saturation at several tested gene loci. Such virtually complete mutagenesis exposes loss-of-function phenotypes for candidate genes in somatic mutant embryos for subsequent generation of stable germline mutants. We further show that targeting of non-coding elements in gene regulatory regions using saturating mutagenesis uncovers functional control elements in transgenic reporters and endogenous genes in injected embryos. Our results establish that optimally solubilized, in vitro assembled fluorescent Cas9-sgRNA RNPs provide a reproducible reagent for direct and scalable loss-of-function studies and applications beyond zebrafish experiments that require maximal DNA cutting efficiency in vivo.

Abstract Urp1 and Urp2 are two neuropeptides, members of the Urotensin 2 family, that have been recently involved in the control of body axis morphogenesis in zebrafish. They are produced by a population of sensory spinal neurons, called cerebrospinal fluid contacting neurons (CSF-cNs), under the control of signals relying on the Reissner fiber, an extracellular thread bathing in the CSF. Here, we have investigated further the function of Urp1 and Urp2 (Urp1/2) in body axis formation and maintenance. We showed that urp1;urp2 double mutants develop strong body axis defects during larval growth, revealing the redundancy between the two neuropeptides. These defects were similar to those previously reported in uts2r3 mutants. We observed that this phenotype is not associated with bone formation defects nor with increased inflammation status but, by using specific inhibitors, we found that the action of Urp1/2 depends on myosin II contraction. Finally, we provide evidence that while the Urp1/2 signaling is functioning during larval growth but is dispensable for embryonic development. Taken together, our results show that Urp1/2 signaling is required in larvae to promote correct vertebral body axis, most likely by regulating muscle tone.

Standard zebrafish transgenesis involves random transgene integration with resource-intensive screening. While phiC31 integrase–based attP / attB recombination has streamlined transgenesis in mice and Drosophila , validated attP -based landing sites for universal applications are lacking in zebrafish. Here, we developed phiC31 Integrase Genomic Loci Engineered for Transgenesis ( pIGLET ) as transgenesis approach, with two attP landing sites pIGLET14a and pIGLET24b from well-validated Tol2 transgenes. Both sites facilitate diverse transgenesis applications including reporters and Cre/ loxP transgenes. The pIGLET14a and pIGLET24b landing sites consistently yield 25 to 50% germline transmission, substantially reducing the resources needed for transgenic line generation. Transgenesis into these sites enables reproducible expression patterns in F0 zebrafish embryos for enhancer discovery and testing of gene regulatory variants. Together, our new landing sites streamline targeted, reproducible zebrafish transgenesis as a robust platform for various applications while minimizing the workload for generating transgenic lines.

Abstract The vertebrate heart integrates cells from the early-differentiating first heart field (FHF) and the later-differentiating second heart field (SHF) emerging from the lateral plate mesoderm. In mammals, this process forms the basis for the development of the left and right ventricle chambers and subsequent chamber septation. The single ventricle-forming zebrafish heart also integrates FHF and SHF lineages during embryogenesis, yet the contributions of these two myocardial lineages to the adult zebrafish heart remain incompletely understood. Here, we characterize the myocardial labeling of FHF descendants in both the developing and adult zebrafish ventricle. Expanding previous findings, late gastrulation-stage labeling using drl -driven CreERT2 recombinase with a myocardium-specific, myl7 -controlled loxP reporter results in predominant labeling of FHF-derived outer curvature and the right side of the embryonic ventricle. Raised to adulthood, such lineage-labeled hearts retain broad areas of FHF cardiomyocytes in a region of the ventricle that is positioned at the opposite side to the atrium and encompasses the apex. Our data add to the increasing evidence for a persisting cell-based compartmentalization of the adult zebrafish ventricle even in the absence of any physical boundary.

Abstract The most-common strategy for zebrafish Cre/ lox -mediated lineage labeling experiments combines ubiquitously expressed, lox -based Switch reporter transgenes with tissue-specific Cre or 4-OH-Tamoxifen-inducible CreERT2 driver lines. Although numerous Cre driver lines have been produced, only a few broadly expressed Switch reporters exist in zebrafish and their generation by random transgene integration has been challenging due to position-effect sensitivity of the lox -flanked recombination cassettes. Here, we compare commonly used Switch reporter lines for their recombination efficiency and reporter expression pattern during zebrafish development. Using different experimental setups, we show that ubi:Switch and hsp70l:Switch outperform current generations of two additional Switch reporters due to favorable transgene integration sites. Our comparisons also document preferential Cre-dependent recombination of ubi:Switch and hsp70l:Switch in distinct zebrafish tissues at early developmental stages. To investigate what genomic features may influence Cre accessibility and lox recombination efficiency in highly functional Switch lines, we mapped these transgenes and charted chromatin dynamics at their integration sites. Our data documents the heterogeneity among lox -based Switch transgenes towards informing suitable transgene selection for lineage labeling experiments. Our work further proposes that ubi:Switch and hsp70l:Switch define genomic integration sites suitable for universal transgene or switch reporter knock-in in zebrafish.

Abstract Transgenesis is an essential technique for any genetic model. Tol2-based transgenesis paired with Gateway-compatible vector collections has transformed zebrafish transgenesis with an accessible, modular system. Here, we established several next-generation transgenesis tools for zebrafish and other species to expand and enhance transgenic applications. To facilitate gene-regulatory element testing, we generated Gateway middle entry vectors harboring the small mouse beta-globin minimal promoter coupled to several fluorophores, CreERT2, and Gal4. To extend the color spectrum for transgenic applications, we established middle entry vectors encoding the bright, blue-fluorescent protein mCerulean and mApple as an alternative red fluorophore. We present a series of p2A peptide-based 3’ vectors with different fluorophores and subcellular localizations to co-label cells expressing proteins of interest. Lastly, we established Tol2 destination vectors carrying the zebrafish exorh promoter driving different fluorophores as a pineal gland-specific transgenesis marker active prior to hatching and through adulthood. e xorh -based reporters and transgenesis markers also drive specific pineal gland expression in the eye-less cavefish ( Astyanax ). Together, our vectors provide versatile reagents for transgenesis applications in zebrafish, cavefish, and other models.