Stefan Schulte-Merker and colleagues report that ccbe1, a predicted secreted protein, is required for embryonic lymphangiogenesis in zebrafish. Ccbe1 acts at the same stage as Vegfc, and is required for lymphangioblast budding and angiogenic sprouting from the venous endothelium. Lymphatic vessels have important roles in fluid homeostasis, fat absorption, inflammation and cancer metastasis and develop in a dynamic process (called lymphangiogenesis) involving budding, migration and proliferation of lymphangioblasts. Using a genetic screen in zebrafish we identify ccbe1 (collagen and calcium-binding EGF domain-1) as indispensible for embryonic lymphangiogenesis. Ccbe1 acts at the same stage of development as Vegfc and is required for lymphangioblast budding and angiogenic sprouting from venous endothelium.

During development, the lymphatic vasculature forms as a second, new vascular network derived from blood vessels. The transdifferentiation of embryonic venous endothelial cells (VECs) into lymphatic endothelial cells (LECs) is the first step in this process. Specification, differentiation and maintenance of LEC fate are all driven by the transcription factor Prox1, yet downstream mechanisms remain to be elucidated. We present a single cell transcriptomic atlas of lymphangiogenesis in zebrafish revealing new markers and hallmarks of LEC differentiation over four developmental stages. We further profile single cell transcriptomic and chromatin accessibility changes in zygotic prox1a mutants that are undergoing a VEC-LEC fate reversion during differentiation. Using maternal and zygotic prox1a/prox1b mutants, we determine the earliest transcriptomic changes directed by Prox1 during LEC specification. This work altogether reveals new transcriptional targets and regulatory regions of the genome downstream of Prox1 in LEC maintenance, as well as showing that Prox1 specifies LEC fate primarily by limiting blood vascular and hematopoietic fate. This extensive single cell resource provides new mechanistic insights into the enigmatic role of Prox1 and the control of LEC differentiation in development.

ABSTRACT Ergosterol is essential for fungal cell membrane integrity and growth, and numerous antifungal drugs target ergosterol. Inactivation or modification of ergosterol biosynthetic genes can lead to changes in antifungal drug susceptibility, filamentation and stress response. Here, we found that the ergosterol biosynthesis gene ERG251 is a hotspot for point mutations during adaptation to antifungal drug stress within two distinct genetic backgrounds of Candida albicans . Heterozygous point mutations led to single allele dysfunction of ERG251 and resulted in azole tolerance in both genetic backgrounds. This is the first known example of point mutations causing azole tolerance in C. albicans. Importantly, single allele dysfunction of ERG251 in combination with recurrent chromosome aneuploidies resulted in bona fide azole resistance. Homozygous deletions of ERG251 caused increased fitness in low concentrations of fluconazole and decreased fitness in rich medium, especially at low initial cell density. Dysfunction of ERG251 resulted in transcriptional upregulation of the alternate sterol biosynthesis pathway and ZRT2 , a Zinc transporter. Notably, we determined that overexpression of ZRT2 is sufficient to increase azole tolerance in C. albicans . Our combined transcriptional and phenotypic analyses revealed the pleiotropic effects of ERG251 on stress responses including cell wall, osmotic and oxidative stress. Interestingly, while loss of either allele of ERG251 resulted in similar antifungal drug responses, we observed functional divergence in filamentation regulation between the two alleles of ERG251 ( ERG251-A and ERG251-B ) with ERG251-A exhibiting a dominant role in the SC5314 genetic background. Finally, in a murine model of systemic infection, homozygous deletion of ERG251 resulted in decreased virulence while the heterozygous deletion mutants maintain their pathogenicity. Overall, this study provides extensive genetic, transcriptional and phenotypic analysis for the effects of ERG251 on drug susceptibility, fitness, filamentation and stress responses. AUTHOR SUMMARY Invasive infections caused by the fungal pathogen Candida albicans have high mortality rates (20-60%), even with antifungal drug treatment. Numerous mechanisms contributing to drug resistance have been characterized, but treatment failure remains a problem indicating that there are many facets that are not yet understood. The azole class of antifungals targets production of ergosterol, an essential component of fungal cell membranes. Here, we provide insights into the contributions of ERG251, a component of the ergosterol biosynthesis pathway, to increased growth in azoles as well as broad scale effects on stress responses filamentation and pathogenicity. One of the most striking results from our study is that even a single nucleotide change in one allele of ERG251 in diploid C. albicans can lead to azole tolerance. Tolerance, a distinct phenotype from resistance, is the ability of fungal cells to grow above the minimum inhibitory concentration in a drug concentration-independent manner. Tolerance frequently goes undetected in the clinic because it is not observable in standard assays. Strikingly, azole tolerance strains lacking one allele of ERG251 remained virulent in a mouse model of infection highlighting the potential for mutations in ERG251 to arise and contribute to treatment failure in patients.

ABSTRACT The assembly of a mature vascular network involves the coordinated control of cell shape changes to regulate morphogenesis of a complex vascular network. Cellular changes include a process of endothelial cell (EC) elongation which is essential for establishing appropriately sized lumens during vessel maturation 1-3 . However how EC elongation is dynamically regulated in vivo is not fully understood since live monitoring of this event can be challenging in animal models. Here, we utilise the live imaging capacity of the zebrafish to explore how integrin adhesion complexes, known as Focal Adhesions (FAs), control EC dynamics in live flow pressured vasculature. To do this, we generated a zebrafish mutant, deficient for the integrin adaptor protein Talin1. Notably, unlike the severe cardiovascular defects that arise in Talin1 knockout mice 4 , vasculogenesis still occurs normally talin1 mutants and cardiac output remains sufficient up to two days post fertilisation (dpf). This allowed us to uncouple primary roles for FAs in ECs during subsequent morphogenesis events, including angiogenesis and vessel remodelling, without interference of secondary effects that might occur due to systemic vessel failure or loss of blood flow. We further established a FA marker line, expressing endothelial Vinculin-eGFP, and demonstrated that FAs are lost in our talin1 mutants. This Vinculin transgene represents the first in vivo model to monitor endothelial FA dynamics. Loss of FAs in talin1 mutants, leads to compromised F-actin rearrangements, which perturb EC elongation and cell-cell junction linearisation during vessel remodelling. Chemical induction of actin polymerisation can restore these cellular phenotypes, suggesting a recovery of actin rearrangements that are sufficient to allow cell and junction shape changes. Together, we have identified that FAs are essential for active guidance of EC elongation and junction linearisation in flow pressured vessels. These observations can explain the severely compromised vessel beds, haemorrhage and vascular leakage that has been observed in mouse models that lack integrin signalling 4-8 .

Abstract The formation of new blood vessel networks occurs via angiogenesis during development, tissue repair and disease. Angiogenesis is regulated by intracellular endothelial signalling pathways, induced downstream of Vascular endothelial growth factors (VEGFs) and their receptors (VEGFRs). A major challenge in understanding angiogenesis is interpreting how signalling events occur dynamically within endothelial cell populations during sprouting, proliferation and migration. Erk is a central downstream effector of Vegf-signalling and reports the signalling that drives angiogenesis. We generated a vascular Erk biosensor transgenic line in zebrafish using a kinase translocation reporter that allows live-imaging of Erk-signalling dynamics. We demonstrate the utility of this line to live-image Erk activity during physiologically relevant angiogenic events. Further, we reveal dynamic and sequential endothelial cell Erk-signalling events following blood vessel wounding. Initial signalling is dependent upon Ca 2+ in the earliest responding endothelial cells, but is independent of Vegfr-signalling and local inflammation. The sustained regenerative response however, involves a Vegfr-dependent mechanism that initiates concomitant with the wound inflammatory response. This work thus reveals a highly dynamic sequence in regenerative angiogenesis that was not previously appreciated. Altogether, this study demonstrates the utility of a unique biosensor strain for analysing dynamic endothelial Erk-signalling events and validates a new resource for the study of vascular signalling in real-time.

Abstract Lymphatic vascular development is regulated by well-characterised signalling and transcriptional pathways. These pathways regulate lymphatic endothelial cell (LEC) migration, motility, polarity and and morphogenesis. Canonical and non-canonical WNT signalling pathways are known to control LEC polarity and development of lymphatic vessels and valves. PKD1 , encoding Polycystin-1, is the most commonly mutated gene in polycystic kidney disease but has also been shown to be essential in lymphatic vascular morphogenesis. The mechanism by which Pkd1 acts during lymphangiogenesis remains unclear. Here we find that loss of non-canonical WNT signalling components Wnt5a and Ryk phenocopy lymphatic defects seen in Pkd1 knockout mice. To investigate genetic interaction, we generated Pkd1 / Wnt5a double knockout mice. Loss of Wnt5a suppressed phenotypes seen in the lymphatic vasculature of Pkd1 −/− mice and Pkd1 deletion suppressed phenotypes observed in Wnt5a −/− mice. Thus, we report mutually suppressive roles for Pkd1 and Wnt5a, with developing lymphatic networks restored to a more wild-type state in double mutant mice. This genetic interaction between Pkd1 and the non-canonical WNT signalling pathway ultimately controls LEC polarity and the morphogenesis of developing vessel networks. Our work suggests that Pkd1 acts at least in part by regulating non-canonical WNT signalling during the formation of lymphatic vascular networks.

SUMMARY This study establishes the homeodomain only protein, HOPX, as a determinant controlling the molecular switch between cardiomyocyte progenitor and maturation gene programs. Time-course single-cell gene expression with genome-wide footprinting reveal that HOPX interacts with and controls core cardiac networks by regulating the activity of mutually exclusive developmental gene programs. Upstream hypertrophy and proliferation pathways compete to regulate HOPX transcription. Mitogenic signals override hypertrophic growth signals to suppress HOPX and maintain cardiomyocyte progenitor gene programs. Physiological studies show HOPX directly governs genetic control of cardiomyocyte cell stress responses, electro-mechanical coupling, proliferation, and contractility. We use human genome-wide association studies (GWAS) to show that genetic variation in the HOPX-regulome is significantly associated with complex traits affecting cardiac structure and function. Collectively, this study provides a mechanistic link situating HOPX between competing upstream pathways where HOPX acts as a molecular switch controlling gene regulatory programs underpinning metabolic, signaling, and functional maturation of cardiomyocytes.

Angiogenesis and vascular remodeling are driven by a wide range of endothelial cell behaviors, such as cell divisions, cell movements, cell shape and polarity changes. To decipher the cellular and molecular mechanism of cell movements, we have analyzed the dynamics of different junctional components during blood vessel anastomosis in vivo. We show that endothelial cell movements are associated with oscillating lamellipodia-like structures, which are orientated in the direction of these movements. These structures emerge from endothelial cell junctions and we thus call them junction-based lamellipodia (JBL). High-resolution time-lapse imaging shows that JBL are formed by F-actin based protrusions at the front end of moving cells. These protrusions also contain diffusely distributed VE-cadherin, whereas the junctional protein ZO-1 (Zona occludens 1) remains at the junction. Subsequently, a new junction is formed at the front of the JBL and the proximal junction is pulled towards the newly established distal junction. JBL function is highly dependent on F-actin dynamics. Inhibition of F-actin polymerization prevents JBL formation, whereas Rac-1 inhibition interferes with JBL oscillations. Both interventions disrupt endothelial junction formation and cell elongation. To examine the role of VE-cadherin (encoded by cdh5 gene) in this process, we generated a targeted mutation in VE-cadherin gene (cdh5ubs25), which prevents VE-cad/F-actin interaction. Although homozygous ve-cadherin mutants form JBL, these JBL are less dynamic and do not promote endothelial cell elongation. Taken together, our observations suggest a novel oscillating ratchet-like mechanism, which is used by endothelial cells to move along or over each other and thus provides the physical means for cell rearrangements.

Cryptococcus neoformans is an opportunistic fungal pathogen that can cause life-threatening cryptoccocal meningitis, predominantly within immunocompromised individuals. Cortical infarcts are observed in as many as 30% of cryptococcal meningitis cases, being particularly common in severe infection. Limited clinical case studies suggest infarcts are secondary to vasculitis and blood vessel damage caused by cryptococcal infection. However, the cause of infarcts in cryptococcal infection has not been determined. To examine potential causes of vascular damage and cryptococcal dissemination in cryptococcal infection, the zebrafish C. neoformans infection model was used. We demonstrate that spread of cryptococci from the vasculature occurs at sites where cryptococci grow within the blood vessels, originating from a single or small number of cryptococci. We find that cryptococcal cells become trapped within the vasculature and can proliferate there resulting in vasodilation. Localised cryptococcal growth in the vasculature is also associated with sites of dissemination - in some cases simultaneously with a loss of blood vessel integrity. Using a cell-cell junction protein reporter (VE-cadherin) we identified sites dissemination associated with both intact blood vessels and where vessel rupture occurred. Thus, we have identified a mechanism for blood vessel damage during cryptococcal infection that may represent a cause of the vascular damage and cortical infarction observed in cryptococcal meningitis.

Abstract Lymphatic vessels play a role in several physiological and pathological processes including tissue fluid homeostasis, dietary fat absorption, immunosurveillance, and immunomodulation. During embryonic development, lymphatic endothelial cell (LEC) precursors are distinguished from blood endothelial cells by the expression of the transcription factor Prospero-related homeobox 1 ( PROX1). PROX1 is essential for lymphatic vascular network formation in mouse and zebrafish. The initiation of PROX1 expression precedes LEC sprouting and migration, serving as the definitive marker of specified LECs. Despite its crucial role in lymphatic development, the upstream regulation of PROX1 in LECs remains to be uncovered. SOX18 and COUP-TFII are thought to regulate Prox1 expression in mice by binding to its promoter region. However, how the specificity of Prox1 expression to LECs is achieved remains to be studied in detail. In this study, we analysed evolutionary conservation and chromatin accessibility to identify enhancer sequences located in the proximity of zebrafish prox1a active in developing LECs. We confirmed the functional role of the identified sequences through CRISPR/Cas9 mutagenesis of a lymphatic valve enhancer. The deletion of this genomic region results in impaired valve morphology and function. Overall, our results reveal the intricate control of prox1a expression through a collection of enhancers. Ray-finned fish-specific distal enhancers drive pan-lymphatic expression, while vertebrate-conserved proximal enhancers refine expression in functionally distinct subsets of lymphatic vessels. Graphical Abstract