ABSTRACT In a large-scale screen, we isolated mutants displaying a specific visible phenotype in embryos or early larvae of the zebrafish, Danio rerio. Males were mutagenized with ethylnitrosourea (ENU) and F2 families of single pair matings between sibling F1 fish, heterozygous for a mutagenized genome, were raised. Egg lays were obtained from several crosses between F2 siblings, resulting in scoring of 3857 mutagenized genomes. F3 progeny were scored at the second, third and sixth day of development, using a stereo-microscope. In a subsequent screen, fixed embryos were analyzed for correct retinotectal projection. A total of 4264 mutants were identified. Two thirds of the mutants displaying rather general abnormalities were eventually discarded. We kept and characterized 1163 mutants. In complementation crosses performed between mutants with similar phenotypes, 894 mutants have been assigned to 372 genes. The average allele frequency is 2.4. We identified genes involved in early development, notochord, brain, spinal cord, somites, muscles, heart, circulation, blood, skin, fin, eye, otic vesicle, jaw and branchial arches, pigment pattern, pigment formation, gut, liver, motility and touch response. Our collection contains alleles of almost all previously described zebrafish mutants. From the allele frequencies and other considerations we estimate that the 372 genes defined by the mutants probably represent more than half of all genes that could have been discovered using the criteria of our screen. Here we give an overview of the spectrum of mutant phenotypes obtained, and discuss the limits and the potentials of a genetic saturation screen in the zebrafish.

ABSTRACT Zebrafish embryos and larvae have stage-specific patterns of motility or locomotion. Two embryonic structures accomplish this behavior: the central nervous system (CNS) and skeletal muscles. To identify genes that are functionally involved in mediating and controlling different patterns of embryonic and larval motility, we included a simple touch response test in our zebrafish large-scale genetic screen. In total we identified 166 mutants with specific defects in embryonic motility. These mutants fall into 14 phenotypically distinct groups comprising at least 48 genes. Here we describe the various phenotypic groups including mutants with no or reduced motility, mechanosensory defective mutants, ‘spastic’ mutants, circling mutants and motor circuit defective mutants. In 63 mutants, defining 18 genes, striation of somitic muscles is reduced. Phenotypic analysis provides evidence that these 18 genes have distinct and consecutive functions during somitic muscle development. The genes sloth (slo) and frozen (fro) already act during myoblast differentiation, while 13 genes appear to function later, in the formation of myofibers and the organization of sarcomeres. Mutations in four other genes result in muscle-specific degeneration. 103 mutations, defining at least 30 genes, cause no obvious defects in muscle formation and may instead affect neuronal development. Analysis of the behavioral defects suggests that these genes participate in the diverse loco-motion patterns observed, such as touch response, rhythmic tail movements, equilibrium control, or that they simply confer general motility to the animal. In some of these mutants specific defects in the developing nervous system are detected. Mutations in two genes, nevermind (nev) and macho (mao), affect axonal projection in the optic tectum, whereas axon formation and elongation of motorneurons are disrupted by mutations in the diwanka (diw) and the unplugged (unp) genes.

Somitogenesis is the basis of segmentation of the mesoderm in the trunk and tail of vertebrate embryos. Two groups of mutants with defects in this patterning process have been isolated in our screen for zygotic mutations affecting the embryonic development of the zebrafish (Danio rerio). In mutants of the first group, boundaries between individual somites are invisible early on, although the paraxial mesoderm is present. Later, irregular boundaries between somites are present. Mutations in fused somites (fss) and beamter (bea) affect all somites, whereas mutations in deadly seven (des), after eight (aei) and white tail (wit) only affect the more posterior somites. Mutants of all genes but wit are homozygous viable and fertile. Skeletal stainings and the expression pattern of myoD and snail1 suggest that anteroposterior patterning within individual somites is abnormal. In the second group of mutants, formation of the horizontal myoseptum, which separates the dorsal and ventral part of the myotome, is reduced. Six genes have been defined in this group (you-type genes). you-too mutants show the most severe phenotype; in these the adaxial cells, muscle pioneers and the primary motoneurons are affected, in addition to the horizontal myoseptum. The horizontal myoseptum is also missing in mutants that lack a notochord. The similarity of the somite phenotype in mutants lacking the notochord and in the you-type mutants suggests that the genes mutated in these two groups are involved in a signaling pathway from the notochord, important for patterning of the somites.

Control of behavior in the natural environment where sensory stimuli are abundant requires superfluous information to be ignored. In part, this is achieved through selective transmission, or gating of signals to motor systems. A quantitative and clinically important measure of sensorimotor gating is prepulse inhibition (PPI) of the startle response, impairments in which have been demonstrated in several neuropsychiatric disorders, including schizophrenia. Here, we show for the first time that the acoustic startle response in zebrafish larvae is modulated by weak prepulses in a manner similar to mammalian PPI. We demonstrate that, like in mammals, antipsychotic drugs can suppress disruptions in zebrafish PPI induced by dopamine agonists. Because genetic factors underlying PPI are not well understood, we performed a screen and isolated mutant lines with reduced PPI. Analysis of Ophelia mutants demonstrates that they have normal sensory acuity and startle performance, but reduced PPI, suggesting that Ophelia is critical for central processing of sensory information. Thus, our results provide the first evidence for sensorimotor gating in larval zebrafish and report on the first unbiased screen to identify genes regulating this process.

The neural basis of behavioral choice in vertebrates remains largely unknown. Zebrafish larvae have a defined locomotor repertoire as well as a simple nervous system and are therefore an attractive vertebrate system in which to study this process. Here we describe a high-throughput system for quantifying the kinematics of motor events in zebrafish larvae in order to measure the initiation frequency of different maneuvers. We use this system to analyze responses to photic stimuli and find that larvae respond to changes in illumination with both acute responses and extended behavioral programs. Reductions in illumination elicit large angle turns, distinct from startle responses, which orient larvae toward the source of light. In continuing darkness, larvae are transiently hyperactive before adopting a quiescent state. Indeed, locomotor activity is controlled by the state of light or dark adaptation similar to masking phenomena in higher vertebrates where light directly regulates motor activity. We propose that regulation of motor activity by photic stimuli in zebrafish larvae serves a behavioral goal of maximizing exposure to well lit environments optimal for feeding.

ABSTRACT Neural crest development involves cell-fate specification, proliferation, patterned cell migration, survival and differentiation. Zebrafish neural crest derivatives include three distinct chromatophores, which are well-suited to genetic analysis of their development. As part of a large-scale mutagenesis screen for embryonic/early larval mutations, we have isolated 285 mutations affecting all aspects of zebrafish larval pigmentation. By complementation analysis, we define 94 genes. We show here that comparison of their phenotypes permits classification of these mutations according to the types of defects they cause, and these suggest which process of neural crest development is probably affected. Mutations in eight genes affect the number of chromatophores: these include strong candidates for genes necessary for the processes of pigment cell specification and proliferation. Mutations in five genes remove part of the wild-type pigment pattern, and suggest a role in larval pigment pattern formation. Mutations in five genes show ectopic chromatophores in distinct sites, and may have implications for chromatophore patterning and proliferation. 76 genes affect pigment or morphology of one or more chromatophore types: these mutations include strong candidates for genes important in various aspects of chromatophore differentiation and survival. In combination with the embryological advantages of zebrafish, these mutations should permit cellular and molecular dissection of many aspects of neural crest development.

ABSTRACT In a screen for early developmental mutants of the zebrafish, we have identified mutations specifically affecting the internal organs. We identified 53 mutations affecting the cardiovascular system. Nine of them affect specific landmarks of heart morphogenesis. Mutations in four genes cause a failure in the fusion of the bilateral heart primordia, resulting in cardia bifida. In lonely atrium, no heart venticle is visible and the atrium is directly fused to the outflow tract. In the overlooped mutant, the relative position of the two heart chambers is distorted. The heart is enormously enlarged in the santa mutant. In two mutants, scotch tape and superglue, the cardiac jelly between the two layers of the heart is significantly reduced. We also identified a number of mutations affecting the function of the heart. The mutations affecting heart function can be subdivided into two groups, one affecting heart contraction and another affecting the rhythm of the heart beat. Among the contractility group of mutants are 5 with no heart beat at all and 15 with a reduced heart beat of one or both chambers. 6 mutations are in the rhythmicity group and specifically affect the beating pattern of the heart. Mutations in two genes, bypass and kurzschluss, cause specific defects in the circulatory system. In addition to the heart mutants, we identified 23 mutations affecting the integrity of the liver, the intestine or the kidney. In this report, we demonstrate that it is feasible to screen for genes specific for the patterning or function of certain internal organs in the zebrafish. The mutations presented here could serve as an entrypoint to the establishment of a genetic hierarchy underlying organogenesis.

ABSTRACT We identified 6 genes that are essential for specifying ventral regions of the early zebrafish embryo. Mutations in these genes cause an expansion of structures normally derived from dorsal-lateral regions of the blastula at the expense of ventrally derived structures. A series of phenotypes of varied strengths is observed with different alleles of these mutants. The weakest phenotype is a reduction in the ventral tail fin, observed as a dominant phenotype of swirl, piggytail, and somitabun and a recessive phenotype of mini fin, lost-a-fin and some piggytail alleles. With increasing phenotypic strength, the blood and pronephric anlagen are also reduced or absent, while the paraxial mesoderm and anterior neuroectoderm is progressively expanded. In the strong phenotypes, displayed by homozygous embryos of snailhouse, swirl and somitabun, the somites circle around the embryo and the midbrain region is expanded laterally. Several mutations in this group of genes are semidominant as well as recessive indicating a strong dosage sensitivity of the processes involved. Mutations in the piggytail gene display an unusual dominance that depends on both a maternal and zygotic heterozygous genotype, while somitabun is a fully penetrant dominant maternal-effect mutation. The similar and overlapping phenotypes of mutants of the 6 genes identified suggest that they function in a common pathway, which begins in oogenesis, but also depends on factors provided after the onset of zygotic transcription, presumably during blastula stages. This pathway provides ventral positional information, counteracting the dorsalizing instructions of the organizer, which is localized in the dorsal shield.

Abstract The acoustic startle response is an evolutionary conserved avoidance behavior. Disruptions in startle behavior, in particular startle magnitude, are a hallmark of several human neurological disorders. While the neural circuitry underlying startle behavior has been studied extensively, the repertoire of genes and genetic pathways that regulate this locomotor behavior has not been explored using an unbiased genetic approach. To identify such genes, we took advantage of the stereotypic startle behavior in zebrafish larvae and performed a forward genetic screen coupled with whole genome analysis. This identified mutants in eight genes critical for startle behavior, including two genes encoding proteins associated with human neurological disorders, Dolichol kinase (Dolk), a broadly expressed regulator of the glycoprotein biosynthesis pathway, and the potassium Shaker-like channel subunit Kv1.1. We demonstrate that Kv1.1 acts independently of supraspinal inputs to regulate locomotion, suggesting its site of action is within spinal circuitry. Moreover, we show that Kv1.1 protein is mis-localized in dolk mutants, suggesting they act in a common genetic pathway to regulate movement magnitude. Combined, our results identify a diverse set of eight genes all associated with human disorders that regulate zebrafish startle behavior and reveal a previously unappreciated role for Dolk and Kv1.1 in regulating movement magnitude via a common genetic pathway. Author summary Underlying all animal behaviors are neural circuits, which are controlled by numerous molecular pathways that direct neuron development and activity. To identify and study these molecular pathways that control behavior, we use a simple vertebrate behavior, the acoustic startle response, in the larval zebrafish. In response to an intense noise, larval zebrafish will quickly turn and swim away to escape. From a genetic screen, we have identified a number of mutants that behave in abnormal ways in response to an acoustic stimulus. We cloned these mutants and identified eight genes that regulate startle behavior. All eight genes are associated with human disorders, and here we focus on two genes, dolk and kcna1a , encoding Dolk, a key regulator of protein glycosylation, and the potassium channel Kv1.1, respectively. We demonstrate that loss of dolk or kcna1a causes larval zebrafish to perform exaggerated swim movements and that Dolk is required for Kv1.1 protein localization to axons of neurons throughout the nervous system, providing strong evidence that dolk and kcna1a act in a common molecular pathway. Combined, our studies provide new insights into the genetic regulation of startle behavior.