Abstract Transgenesis is an important tool for assessing gene function. In zebrafish, transgenesis has suffered from three problems: the labor of building complex expression constructs using conventional subcloning; low transgenesis efficiency, leading to mosaicism in transient transgenics and infrequent germline incorporation; and difficulty in identifying germline integrations unless using a fluorescent marker transgene. The Tol2kit system uses site‐specific recombination‐based cloning (multisite Gateway technology) to allow quick, modular assembly of [promoter]–[coding sequence]–[3′ tag] constructs in a Tol2 transposon backbone. It includes a destination vector with a cmlc2 :EGFP (enhanced green fluorescent protein) transgenesis marker and a variety of widely useful entry clones, including hsp70 and beta‐actin promoters; cytoplasmic, nuclear, and membrane‐localized fluorescent proteins; and internal ribosome entry sequence–driven EGFP cassettes for bicistronic expression. The Tol2kit greatly facilitates zebrafish transgenesis, simplifies the sharing of clones, and enables large‐scale projects testing the functions of libraries of regulatory or coding sequences. Developmental Dynamics 236:3088–3099, 2007. © 2007 Wiley‐Liss, Inc.

Multiple cell types of the pancreas appear asynchronously during embryogenesis, which requires that pancreatic progenitor cell potential changes over time. Loss-of-function studies have shown that Notch signaling modulates the differentiation of these progenitors, but it remains unclear how and when the Notch pathway acts. We established a modular transgenic system to heritably activate mouse Notch1 in multiple types of progenitors and differentiated cells. We find that misexpression of activated Notch in Pdx1 -expressing progenitor cells prevents differentiation of both exocrine and endocrine lineages. Progenitors remain trapped in an undifferentiated state even if Notch activation occurs long after the pancreas has been specified. Furthermore, endocrine differentiation is associated with escape from this activity, because Ngn3 -expressing endocrine precursors are susceptible to Notch inhibition, whereas fully differentiated endocrine cells are resistant.

We have compared the dorsoventral development of hemichordates and chordates to deduce the organization of their common ancestor, and hence to identify the evolutionary modifications of the chordate body axis after the lineages split. In the hemichordate embryo, genes encoding bone morphogenetic proteins (Bmp) 2/4 and 5/8, as well as several genes for modulators of Bmp activity, are expressed in a thin stripe of ectoderm on one midline, historically called "dorsal." On the opposite midline, the genes encoding Chordin and Anti-dorsalizing morphogenetic protein (Admp) are expressed. Thus, we find a Bmp-Chordin developmental axis preceding and underlying the anatomical dorsoventral axis of hemichordates, adding to the evidence from Drosophila and chordates that this axis may be at least as ancient as the first bilateral animals. Numerous genes encoding transcription factors and signaling ligands are expressed in the three germ layers of hemichordate embryos in distinct dorsoventral domains, such as pox neuro, pituitary homeobox, distalless, and tbx2/3 on the Bmp side and netrin, mnx, mox, and single-minded on the Chordin-Admp side. When we expose the embryo to excess Bmp protein, or when we deplete endogenous Bmp by small interfering RNA injections, these expression domains expand or contract, reflecting their activation or repression by Bmp, and the embryos develop as dorsalized or ventralized limit forms. Dorsoventral patterning is independent of anterior/posterior patterning, as in Drosophila but not chordates. Unlike both chordates and Drosophila, neural gene expression in hemichordates is not repressed by high Bmp levels, consistent with their development of a diffuse rather than centralized nervous system. We suggest that the common ancestor of hemichordates and chordates did not use its Bmp-Chordin axis to segregate epidermal and neural ectoderm but to pattern many other dorsoventral aspects of the germ layers, including neural cell fates within a diffuse nervous system. Accordingly, centralization was added in the chordate line by neural-epidermal segregation, mediated by the pre-existing Bmp-Chordin axis. Finally, since hemichordates develop the mouth on the non-Bmp side, like arthropods but opposite to chordates, the mouth and Bmp-Chordin axis may have rearranged in the chordate line, one relative to the other.

During Hedgehog (Hh) signal transduction in development and disease, the atypical G protein-coupled receptor (GPCR) SMOOTHENED (SMO) communicates with GLI transcription factors by binding the protein kinase A catalytic subunit (PKA-C) and physically blocking its enzymatic activity. Here, we show that GPCR kinase 2 (GRK2) orchestrates this process during endogenous mouse and zebrafish Hh pathway activation in the primary cilium. Upon SMO activation, GRK2 rapidly relocalizes from the ciliary base to the shaft, triggering SMO phosphorylation and PKA-C interaction. Reconstitution studies reveal that GRK2 phosphorylation enables active SMO to bind PKA-C directly. Lastly, the SMO-GRK2-PKA pathway underlies Hh signal transduction in a range of cellular and in vivo models. Thus, GRK2 phosphorylation of ciliary SMO and the ensuing PKA-C binding and inactivation are critical initiating events for the intracellular steps in Hh signaling. More broadly, our study suggests an expanded role for GRKs in enabling direct GPCR interactions with diverse intracellular effectors.

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.

Uveal coloboma, a developmental eye defect, is caused by failed development of the optic fissure, a ventral structure in the optic stalk and cup where axons exit the eye and vasculature enters. The Hedgehog (Hh) signaling pathway regulates optic fissure development: loss-of-function mutations in the Hh receptor

Choices for genome engineering and integration involve high efficiency with little or no target specificity or high specificity with low activity. Here, we describe a targeted integration strategy, called GeneWeld, and a vector series for gene tagging, pGTag (plasmids for Gene Tagging), which promote highly efficient and precise targeted integration in zebrafish embryos, pig fibroblasts, and human cells utilizing the CRISPR/Cas9 system. Our work demonstrates that in vivo targeting of a genomic locus of interest with CRISPR/Cas9 and a donor vector containing as little as 24 to 48 base pairs of homology directs precise and efficient knock-in when the homology arms are exposed with a double strand break in vivo . Our results suggest that the length of homology is not important in the design of knock-in vectors but rather how the homology is presented to a double strand break in the genome. Given our results targeting multiple loci in different species, we expect the accompanying protocols, vectors, and web interface for homology arm design to help streamline gene targeting and applications in CRISPR and TALEN compatible systems.

Epithelial morphogenesis, a fundamental aspect of development, generates 3-dimensional tissue structures crucial for organ function. Underlying morphogenetic mechanisms are, in many cases, poorly understood, but mutations that perturb organ development can affect epithelial cell shape and orientation - difficult features to quantify in three dimensions. The basic structure of the eye is established via epithelial morphogenesis: in the embryonic optic cup, the retinal progenitor epithelium enwraps the lens. We previously found that loss of the extracellular matrix protein laminin-alpha1 (lama1) led to mislocalization of apical polarity markers and apparent misorientation of retinal progenitors. We sought to visualize and quantify this phenotype, and determine whether loss of the apical polarity determinant pard3 might rescue the phenotype. To this end, we developed LongAxis, a MATLAB-based program optimized for the retinal progenitor neuroepithelium. LongAxis facilitates 3-dimensional cell segmentation, visualization, and quantification of cell orientation and morphology. Using LongAxis, we find that retinal progenitors in the lama1-/- optic cup are misoriented and slightly less elongated. In the lama1;MZpard3 double mutant, cells are still misoriented, but larger. Therefore, loss of pard3 does not rescue loss of lama1, and in fact uncovers a novel cell size phenotype. LongAxis enables population-level visualization and quantification of retinal progenitor cell orientation and morphology. These results underscore the importance of visualizing and quantifying cell orientation and shape in three dimensions within the retina.

The interactions between an organ and its surrounding environment are critical in regulating its development. In vertebrates, neural crest and mesodermal mesenchymal cells have been observed close to the eye during development, and mutations affecting this periocular mesenchyme can cause defects in early eye development, yet the underlying mechanism has been unknown. Here, using timelapse microscopy and four-dimensional cell tracking in zebrafish, we establish that genetic loss of neural crest impairs cell movements within the optic vesicle. At the ultrastructural level, neural crest cells are required for basement membrane formation specifically around the retinal pigment epithelium. Neural crest cells express the extracellular matrix crosslinking protein nidogen and, strikingly, ectopically expressing nidogen in the absence of neural crest partially restores optic cup morphogenesis. These results demonstrate that the neural crest is required for local establishment of ocular extracellular matrix superstructure, which in turn drives optic cup morphogenesis.

Epithelial wound healing requires a complex orchestration of cellular rearrangements and movements to restore tissue architecture and function after injury. While it is well-known that mechanical forces can affect tissue morphogenesis and patterning, how the biophysical cues generated after injury influence cellular behaviors during tissue repair is not well understood. Using time-lapsed confocal imaging of epithelial tissues in living zebrafish larvae, we provide evidence that localized increases in cellular crowding during wound closure promote the extrusion of non-apoptotic cells via mechanically regulated stretch-activated ion channels (SACs). Directed cell migration toward the injury site promoted the rapid changes in cell number and generated shifts in tension at cellular interfaces over long spatial distances. Perturbation of SAC activity resulted in failed extrusion and increased proliferation in crowded areas of the tissue. Together, we conclude that localized cell number plays a key role in dictating cellular behaviors that facilitate wound closure and tissue repair.