ABSTRACT The constant exposure of the fish branchial cavity to aquatic pathogens must have driven local mucosal immune responses to be extremely important for their survival. In this study, we used a universal marker for T lymphocytes/natural killer cells (ZAP70) and advanced imaging techniques to investigate the lymphoid architecture of the zebrafish branchial cavity. We identified a new lymphoid organ, which we tentatively named “Nemausean Lymphoid Organ” (NEMO), situated below the pharynx, and closely associated with gill lymphoid tissues. Besides T/NK cells, NEMO is enriched in plasma/B cells and antigen-presenting cells embedded in a network of reticulated epithelial cells. Presence of activated T cells and lymphocyte proliferation but not V(D)J recombination or hematopoiesis, suggests a function as secondary lymphoid organ. In response to infection, NEMO displays structural changes including the formation of T/NK cells clusters. NEMO and gill lymphoid aggregates form a cohesive unit within a lymphoid network that extends throughout the pharyngo-respiratory area. Collectively, our findings reveal a new mucosal lymphoid organ reminiscent of mammalian tonsils that evolved in fish. Importantly, NEMO could clearly be identified in multiple teleost fish families. One sentence summary A previously unreported lymphoid organ has been identified within the pharyngo-respiratory tract of the zebrafish, and other teleost fish, providing new insights into the immune system of teleost fish and the evolution of vertebrate immunology.

Abstract Short chain fatty acids (SCFAs) are produced by microbial fermentation of dietary fiber in the gut. Butyrate is a particularly important SCFA with anti-inflammatory properties and is generally present at lower levels in inflammatory diseases associated with gut microbiota dysbiosis in mammals. We aimed to determine if SCFAs are produced by the zebrafish microbiome and if SCFAs exert conserved effects on zebrafish immunity as an example of the non-mammalian vertebrate immune system. We demonstrate that bacterial communities from adult zebrafish intestines synthesize all three main SCFA in vitro , although SCFA were below our detectable limits in zebrafish intestines in vivo . Immersion in butyrate, but not acetate or propionate, reduced the recruitment of neutrophils and M1-type pro-inflammatory macrophages to wounds. We found conservation of butyrate sensing by neutrophils via orthologs of the hydroxycarboxylic acid receptor 1 ( hcar1 ) gene. Neutrophils from Hcar1-depeleted embryos were no longer responsive to the anti-inflammatory effects of butyrate, while macrophage sensitivity to butyrate was independent of Hcar1. Our data demonstrate conservation of anti-inflammatory butyrate effects and identify the presence of a conserved molecular receptor in fish.

Host lipid metabolism is an important target for subversion by pathogenic mycobacteria such as Mycobacterium tuberculosis. The appearance of foam cells within the granuloma are well-characterised effects of chronic tuberculosis. The zebrafish-Mycobacterium marinum infection model recapitulates many aspects of human-M. tuberculosis infection and is used as a model to investigate the structural components of the mycobacterial granuloma. Here, we demonstrate that the zebrafish-M. marinum granuloma contains foam cells and that the transdifferentiation of macrophages into foam cells is driven by the mycobacterial ESX1 pathogenicity locus. This report demonstrates conservation of an important aspect of mycobacterial infection across species.

Infection-induced thrombocytosis is a clinically important complication of tuberculosis (TB). Recent studies have separately highlighted a correlation of platelet activation with TB severity and utility of aspirin as a host-directed therapy for TB that modulates the inflammatory response. Here we investigate the possibility that the beneficial effects of aspirin are related to an anti-platelet mode of action. We utilize the zebrafish-Mycobacterium marinum model to show mycobacteria drive host hemostasis through the formation of granulomas. Treatment of infected zebrafish with aspirin or platelet-specific glycoprotein IIb/IIIa inhibitors reduced mycobacterial burden demonstrating a detrimental role for infection-induced thrombocyte activation. We found platelet inhibition reduced thrombocyte-macrophage interactions and restored indices of macrophage-mediated immunity to mycobacterial infection. Pathological thrombocyte activation and granuloma formation were found to be intrinsically linked illustrating a bidirectional relationship between host hemostasis and TB pathogenesis. Our study illuminates platelet activation as an efficacious target of anti-platelets drugs including aspirin, a widely available and affordable host-directed therapy candidate for tuberculosis.

Tuberculosis is a chronic inflammatory disease caused by persistent infection with Mycobacterium tuberculosis. The rise of antibiotic resistant strains necessitates the design of novel treatments. Recent evidence shows that not only is M. tuberculosis highly resistant to oxidative killing, it also co-opts host oxidant production to induce phagocyte death facilitating bacterial dissemination. We have targeted this redox environment with the cyclic nitroxide derivative 4-methoxy-TEMPO (MetT) in the zebrafish-M. marinum infection model. MetT inhibited the production of mitochondrial ROS and decreased infection-induced cell death to aid containment of infection. We identify a second mechanism of action whereby stress conditions, including hypoxia, found in the infection microenvironment appear to sensitise M. marinum to killing by MetT both in vitro and in vivo. Together, our study demonstrates MetT inhibited the growth and dissemination of M. marinum through host and bacterial targets.

Infection of zebrafish with natural pathogen Mycobacterium marinum is a useful surrogate for studying the human granulomatous inflammatory response to infection by Mycobacterium tuberculosis. The adaptive immune system of the adult stage zebrafish offers an advance on the commonly used embryo infection model as adult zebrafish form granulomas with striking similarities to human-M. tuberculosis granulomas. Here, we present workflows to perform high content analyses of granulomas in adult zebrafish infected with M. marinum by cryosectioning to take advantage of strong endogenous transgenic fluorescence adapted from common zebrafish embryo infection tools. Specific guides to classifying granuloma necrosis and organisation, quantifying bacterial burden and leukocyte infiltration of granulomas, and visualizing extracellular matrix remodelling and foam cell formation are also provided. We use these methods to characterize neutrophil recruitment to M. marinum granulomas across time and find an inverse relation to granuloma necrosis suggesting granuloma necrosis is not a marker of immunopathology in the natural infection system of the adult zebrafish-M. marinum pairing. The methods can be easily translated to studying the zebrafish adaptive immune response to other chronic and granuloma-forming pathogens.