A major issue in regenerative medicine is the role of injury in promoting cell plasticity. Here we explore the function of reactive oxygen species (ROS) induced through lesions in adult zebrafish. We show that ROS production, following adult fin amputation, is tightly regulated in time and space for at least 24 hours, whereas ROS production remains transient (2 hours) in mere wound healing. In regenerative tissue, ROS signaling triggers two distinct parallel pathways: one pathway is responsible for apoptosis and the other pathway is responsible for JNK activation. Both events are involved in the compensatory proliferation of stump epidermal cells and are necessary for the progression of regeneration. Both events impact the Wnt, SDF1 and IGF pathways, while apoptosis only impacts progenitor marker expression. These results implicate oxidative stress in regeneration and provide new insights into the differences between healing and regeneration.

Hydrogen peroxide (H2O2) is a key redox intermediate generated within cells. Existing probes for H2O2 have not solved the problem of detection of the ultra-low concentrations of the oxidant: these reporters are not sensitive enough, or pH-dependent, or insufficiently bright, or not functional in mammalian cells, or have poor dynamic range. Here we present HyPer7, the first bright, pH-stable, ultrafast, and ultrasensitive ratiometric H2O2 probe. HyPer7 is fully functional in mammalian cells and in other higher eukaryotes. The probe consists of a circularly permuted GFP integrated into the ultrasensitive OxyR domain from Neisseria meningitidis. Using HyPer7, we were able to uncover the details of H2O2 diffusion from the mitochondrial matrix, to find a functional output of H2O2 gradients in polarized cells, and to prove the existence of H2O2 gradients in wounded tissue in vivo. Overall, HyPer7 is a probe of choice for real-time H2O2 imaging in various biological contexts.

Summary Among molecules that bridge environment, cell metabolism, and cell signaling, H 2 O 2 recently appeared as an emerging but central player. Its level depends on cell metabolism and environment and was recently shown to play key roles during embryogenesis, contrasting with its long-established role in disease progression. We decided to explore whether the secreted morphogen Sonic hedgehog (Shh), known to be essential in a variety of biological processes ranging from embryonic development to adult tissue homeostasis and cancers, was part of these interactions. Here, we report that H 2 O 2 levels control key steps of Shh delivery and that physiological in vivo modulation of H 2 O 2 levels changes Shh distribution and tissue patterning. A feedback loop exists in which Shh trafficking controls H 2 O 2 synthesis via a non-canonical BOC-Rac1 pathway, leading to cytoneme growth. Our findings reveal that Shh directly impacts its own distribution, thus providing a molecular explanation for the robustness of morphogenesis to both environmental insults and individual variability.

ABSTRACT A quantitative description of the molecular networks that sustain morphogenesis is one of the challenges of developmental biology. Specifically, a molecular understanding of the segmentation of the antero-posterior axis in vertebrates has yet to be achieved. This process known as somitogenesis is believed to result from the interactions between a genetic oscillator and a posterior-moving determination wavefront. Here we quantitatively study and perturb the network in zebrafish that sustains this wavefront and compare our observations to a model whereby the wavefront is due to a switch between stable states resulting from reciprocal negative feedbacks of Retinoic Acid (RA) on the activation of ERK and of ERK on RA synthesis. This model quantitatively accounts for the near linear shortening of the post-somitic mesoderm (PSM) in response to the observed exponential decrease during somitogenesis of the mRNA concentration of a morphogen (Fgf8). It also accounts for the observed dynamics of the PSM when the molecular components of the network are perturbed. The generality of our model and its robustness allows for its test in other model organisms.

Abstract Reactive oxygen species (ROS), originally classified as toxic molecules, have attracted increasing interest given their actions in cell signaling. Among these molecules, Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is the major ROS produced by cells and acts as a second messenger to modify redox-sensitive proteins or lipids. After amputation, tight spatiotemporal regulation of ROS is required first for wound healing and later to initiate the regenerative program. However, the mechanisms carrying out this sustained ROS production and their integration with signaling pathways are still poorly understood. We focused on the early dialog between H 2 O 2 and Sonic Hedgehog (Shh) during fin regeneration. We demonstrate that H 2 O 2 controls Shh expression and that Shh in turn regulates the H 2 O 2 level via a canonical pathway. Moreover, this tightly controlled feedback loop changes during the successive phases of the regenerative program. Dysregulation of the Hedgehog pathway has been implicated in several developmental syndromes, diabetes and cancer. These data support the existence of a very early feedback loop between Shh and H 2 O 2 that might be more generally involved in various physiological or pathological processes. These new findings pave the way to improve regenerative processes, particularly in vertebrates.

Abstract Hypochlorous acid, an aggressive oxidant, is important in immune defense against pathogens. The current lack of tools to monitor the dynamics of hypochlorous acid in live cells and tissue hinders a better understanding of inflammatory processes. We engineered a genetically encoded biosensor, Hypocrates, for the visualization of hypochlorous acid. Hypocrates consists of a circularly permuted yellow fluorescent protein integrated into the structure of the transcription repressor NemR from E. coli . We determined sensitivity, selectivity, reaction rates, and the X-ray structure of this ratiometric redox biosensor, and tested the response of Hypocrates in HeLa Kyoto cells at varying hypochlorite concentrations. By combining Hypocrates with the biosensor HyperRed, we visualized the dynamics of hypochlorous acid and hydrogen peroxide in a zebrafish tail fin injury model.

ABSTRACT Fluorescence lifetime imaging opens new dimensions for highly multiplexed imaging in live cells and organisms using differences in fluorescence lifetime to distinguish spectrally identical fluorescent probes. Here, we describe a set of fluorescence-activating and absorption-shifting tags (FASTs) capable of modulating the fluorescence lifetime of embedded fluorogenic 4-hydroxybenzylidene rhodanine (HBR) derivatives. We show that changes in the FAST protein sequence can vary the local environment of the chromophore and lead to significant changes in fluorescence lifetime. These fluorescence lifetime modulating tags enabled multiplexed imaging of up to three targets in one spectral channel using a single HBR derivative in live cells and live zebrafish embryo. The combination of fluorescence lifetime multiplexing with spectral multiplexing allowed us to successfully image six targets in live cells, opening great prospects for multicolor fluorescence lifetime multiplexing.

Abstract Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) opens new dimensions for highly multiplexed imaging in live cells and organisms using differences in fluorescence lifetime to distinguish spectrally identical fluorescent probes. Here, a set of fluorescence‐activating and absorption‐shifting tags (FASTs) capable of modulating the fluorescence lifetime of embedded fluorogenic 4‐hydroxybenzylidene rhodanine (HBR) derivatives is described. It is shown that changes in the FAST protein sequence can vary the local environment of the chromophore and lead to significant changes in fluorescence lifetime. These fluorescence lifetime‐modulating tags enable multiplexed imaging of up to three targets in one spectral channel using a single HBR derivative in live cells and live zebrafish larvae. The combination of fluorescence lifetime multiplexing with spectral multiplexing allows to successfully image six targets in live cells, opening great prospects for multicolor fluorescence lifetime multiplexing.

Fluorescence microscopy is an indispensable tool in biological research, allowing sub-second and sub-micrometer mapping of molecules or processes inside living cells. Moreover, using spectrally separated fluorophores, one can observe multiple targets simultaneously, leading to a deeper understanding of the dynamic molecular interplays that regulate cell function and fate. Chemogenetic systems, which combine a protein tag and a synthetic fluorophore, provide certain advantages over fluorescent proteins since there is no requirement for chromophore maturation. However, the fluorophore promiscuity of chemogenetic systems renders two-color applications challenging. Here, we present the engineering of a set of spectrally orthogonal fluorogen activating tags based on the Fluorescence Activating and absorption Shifting Tag (FAST), that are compatible with two-color, live cell imaging. The resulting tags, greenFAST and redFAST, demonstrate orthogonality not only in their fluorogen recognition capabilities, but also in their one- and two-photon absorption profiles. A two-color cell cycle sensor based on greenFAST and redFAST is capable of detecting very short, early cell cycles in zebrafish development which had previously been difficult to image. Furthermore, this pair of orthogonal tags can be developed into split complementation systems that are capable of detecting multiple protein-protein interactions by live cell fluorescence microscopy.

The Hydra polyp regenerates its head by transforming the gastric tissue below the wound into a head organizer made of two antagonistic cross-reacting components. The activator, previously characterized as Wnt3, drives apical differentiation by acting locally and auto-catalytically. The uncharacterized inhibitor, produced under the control of the activator, prevents ectopic head formation. By crossing RNA-seq data obtained in a β-catenin(RNAi) screen performed in planarians and a quantitative analysis of positional and temporal gene expression in Hydra, we identified Sp5 as a transcription factor that fulfills the head inhibitor properties: a Wnt/β-catenin inducible expression, a graded apical-to-basal expression, a sustained up-regulation during head regeneration, a multi-headed phenotype when knocked-down, a repressing activity on Wnt3 expression. In mammalian cells, Hydra and zebrafish Sp5 repress Wnt3 promoter activity while Hydra Sp5 also auto-activates its expression, possibly via β-catenin and/or Tcf/Lef1 interaction. This work identifies Sp5 as a novel potent feedback loop inhibitor of Wnt/β-catenin signaling across eumetazoans.