Lifelong neurogenesis in vertebrates relies on stem cells producing proliferation zones that contain neuronal precursors with distinct fates. Proliferation zones in the adult zebrafish brain are located in distinct regions along its entire anterior–posterior axis. We show a previously unappreciated degree of conservation of brain proliferation patterns among teleosts, suggestive of a teleost ground plan. Pulse chase labeling of proliferating populations reveals a centrifugal movement of cells away from their places of birth into the surrounding mantle zone. We observe tangential migration of cells born in the ventral telencephalon, but only a minor rostral migratory stream to the olfactory bulb. In contrast, the lateral telencephalic area, a domain considered homologous to the mammalian dentate gyrus, shows production of interneurons and migration as in mammals. After a 46-day chase, newborn highly mobile cells have moved into nuclear areas surrounding the proliferation zones. They often show HuC/D immunoreactivity but importantly also more specific neuronal identities as indicated by immunoreactivity for tyrosine hydroxylase, serotonin and parvalbumin. Application of a second proliferation marker allows us to recognize label-retaining, actively cycling cells that remain in the proliferation zones. The latter population meets two key criteria of neural stem cells: label retention and self renewal.

The Good Side of Inflammation The zebrafish brain is much more adept than the human brain at recovering after traumatic injury. Kyritsis et al. (p. 1353 , published online 8 November; see the Perspective by Stella ) investigated the cellular events that support regeneration in the zebrafish brain. Although inflammation is part of the response in both settings, the zebrafish brain goes on to initiate proliferation of replacement neurons. By inciting inflammation without neuronal damage, radial glial cells could be pushed into neurogenesis.

Severe traumatic injury to the adult mammalian CNS leads to life-long loss of function. By contrast, several non-mammalian vertebrate species, including adult zebrafish, have a remarkable ability to regenerate injured organs, including the CNS. However, the cellular and molecular mechanisms that enable or prevent CNS regeneration are largely unknown. To study brain regeneration mechanisms in adult zebrafish, we developed a traumatic lesion assay, analyzed cellular reactions to injury and show that adult zebrafish can efficiently regenerate brain lesions and lack permanent glial scarring. Using Cre-loxP-based genetic lineage-tracing, we demonstrate that her4.1-positive ventricular radial glia progenitor cells react to injury, proliferate and generate neuroblasts that migrate to the lesion site. The newly generated neurons survive for more than 3 months, are decorated with synaptic contacts and express mature neuronal markers. Thus, regeneration after traumatic lesion of the adult zebrafish brain occurs efficiently from radial glia-type stem/progenitor cells.

Abstract The histaminergic system and its relationships to the other aminergic transmitter systems in the brain of the zebrafish were studied by using confocal microscopy and immunohistochemistry on brain whole‐mounts and sections. All monoaminergic systems displayed extensive, widespread fiber systems that innervated all major brain areas, often in a complementary manner. The ventrocaudal hypothalamus contained all monoamine neurons except noradrenaline cells. Histamine (HA), tyrosine hydroxylase (TH), and serotonin (5‐HT) ‐containing neurons were all found around the posterior recess (PR) of the caudal hypothalamus. TH‐ and 5‐HT‐containing neurons were found in the periventricular cell layer of PR, whereas the HA‐containing neurons were in the surrounding cell layer as a distinct boundary. Histaminergic neurons, which send widespread ascending and descending fibers, were all confined to the ventrocaudal hypothalamus. Histaminergic neurons were medium in size (∼12 μm) with varicose ascending and descending ipsilateral and contralateral fiber projections. Histamine was stored in vesicles in two types of neurons and fibers. A close relationship between HA fibers and serotonergic raphe neurons and noradrenergic locus coeruleus neurons was evident. Putative synaptic contacts were occasionally detected between HA and TH or 5‐HT neurons. These results indicate that reciprocal contacts between monoaminergic systems are abundant and complex. The results also provide evidence of homologies to mammalian systems and allow identification of several previously uncharacterized systems in zebrafish mutants. J. Comp. Neurol. 440:342–377, 2001. © 2001 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Mucopolysaccharidoses are lysosomal storage diseases that collectively represent a major cause of lethal, treatment-refractory childhood dementias 1–7 Clinically-useful interventions are hampered due to an incomplete understanding of their neuropathological origins. Using the zebrafish sgsh model of mucopolysaccharidosis IIIA 8 (MPS IIIA, Sanfilippo syndrome A), we conducted several ‘omics-based analyses, and developed and benchmarked a novel bioinformatic feature classification and ranking model for high-throughput datasets – ExIR – to prioritise important features in the progression of neurological manifestations of the disease. We find that the massive endolysosomal burden resulting from increased lysosomal storage of heparan sulfate and other secondarily accumulating substrates, such as sphingolipids, induces abnormal microtubule organisation and vesicle trafficking in neurons. This results in a gradual impairment of synaptic vesicle localisation at the presynaptic terminal and consequently impaired neuronal activity. Importantly, the endolysosomal phenotype in MPS IIIA zebrafish well-precedes the onset of neural pathology, though the larval MPS IIIA brain was found to be more susceptible to perturbation than wild type siblings. Collectively, these analyses demonstrate the presence of a progressive ‘functional neurodegenerative’ phenotype underpinning neurological disease in MPS IIIA. Our findings provide direct mechanistic evidence linking the well-described lysosomal storage basis for MPS IIIA to its disproportionately severe neural clinical involvement, enabling development and refinement of future therapeutic interventions for this currently untreatable disorder. Highlights MPS IIIA represents one of the most common causes of broadly fatal childhood dementia, but the mechanisms underlying disease progression are poorly understood. The first systems-level analyses of disease state and progression in the CNS of an MPS IIIA animal model were performed. Ex perimental data-based I ntegrative R anking (ExIR) was developed to provide unbiased prioritisation and classification of biological data as drivers, biomarkers and mediators of biological processes from high-throughput data at a systems level. Application of ExIR to a transcriptomic and proteomic analyses of a zebrafish model of MPS IIIA implies progressive deficiencies in synaptic activity as a key driver of disease progression correlating with progressive neuronal endolysosomal burden and secondary storage diseases. A novel unifying explanation of pathobiology and progression of MPS IIIA facilitates identification of clinically targetable features and may be generalised to other neuronopathic storage disorders.

Inflammation can lead to persistent and irreversible loss of retinal neurons and photoreceptors in mammalian vertebrates. In contrast, in the adult zebrafish brain, acute neural inflammation is both necessary and sufficient to stimulate regeneration of neurons. Here, we report on the critical, positive role of the immune system to support retina regeneration in adult zebrafish. After sterile ablation of photoreceptors by phototoxicity, we find rapid response of immune cells, especially monocytes/microglia and neutrophils, which returns to homeostatic levels within 14 days post lesion. Pharmacological or genetic impairment of the immune system results in a reduced Müller glia stem cell response, seen as decreased reactive proliferation, and a strikingly reduced number of regenerated cells from them, including photoreceptors. Conversely, injection of the immune stimulators flagellin, zymosan, or M-CSF into the vitreous of the eye, leads to a robust proliferation response and the upregulation of regeneration-associated marker genes in Müller glia. Our results suggest that neuroinflammation is a necessary and sufficient driver for retinal regeneration in the adult zebrafish retina.

Zebrafish have a remarkable capacity to regenerate following spinal cord (SC) injury but the responsible cellular events are not well understood. We used in vivo imaging and genetics to pin-point specific cellular processes controlling SC regeneration in zebrafish. We identified two temporally and mechanistically distinct phases of cellular regeneration in the SC. The initial phase relies on migration of precursor neurons to the injury, enabling rapid functional recovery, and activation of quiescent neural progenitor cells (NPCs). A second phase of regenerative neurogenesis compensates for both the lost tissue and cells depleted due to precursor neuron migration. We propose a critical role of precursor neurons recruitment in initiating neuronal circuit recovery and buying sufficient time for regenerative neurogenesis to take place. Taken together, our data suggests an unanticipated role of precursor cell recruitment in driving neural repair and functional recovery during the regenerative response.

Abstract Inflammation can lead to persistent and irreversible loss of retinal neurons and photoreceptors in mammalian vertebrates. In contrast, in the adult zebrafish brain, acute neural inflammation is both necessary and sufficient to stimulate regeneration of neurons. Here, we report on the critical, positive role of the immune system to support retina regeneration in adult zebrafish. After sterile, ablation of photoreceptors by phototoxicity, we find rapid response of tissue-resident microglia and neutrophils, which returns to homeostatic levels within 14 days post lesion. Pharmacological or genetic impairment of immune cell reactivity results in a reduced Müller glia stem cell response, seen as decreased reactive proliferation, and a strikingly reduced number of regenerated cells from them, including photoreceptors. Conversely, injection of the immune stimulators flagellin, zymosan, or M-CSF into the vitreous of the eye, in spite of the absence of a retinal lesion, leads to a robust proliferation response and the up-regulation of regeneration-associated marker genes in Müller glia. Our results suggest that neuroinflammation is a necessary and sufficient driver for retinal regeneration in the adult zebrafish retina.

In contrast to adult mammalian hearts, the adult zebrafish heart efficiently replaces cardiomyocytes lost after injury. Here we reveal shared and species-specific injury response pathways and a correlation between Hmga1, an architectural non-histone protein, and regenerative capacity, as Hmga1 is required and sufficient to induce cardiomyocyte proliferation and required for heart regeneration. In addition, Hmga1 was shown to reactivate developmentally silenced genes, likely through modulation of H3K27me3 levels, poising them for a pro-regenerative gene program. Furthermore, AAV-mediated Hmga1 expression in injured adult mouse hearts led to controlled cardiomyocyte proliferation in the border zone and enhanced heart function, without cardiomegaly and adverse remodeling. Histone modification mapping in mouse border zone cardiomyocytes revealed a similar modulation of H3K27me3 marks, consistent with findings in zebrafish. Our study demonstrates that Hmga1 mediates chromatin remodeling and drives a regenerative program, positioning it as a promising therapeutic target to enhance cardiac regeneration after injury. Bouwman et al. identify Hmga1-mediated chromatin remodeling as the fundamental regulator of zebrafish cardiac regeneration and reveal the potential of Hmga1 to restore heart repair in mice by reactivating developmental genes, suggesting potential therapeutic applications.

Alzheimer's disease (AD) develops silently over decades. We cannot easily access and analyse pre-symptomatic brains, so the earliest molecular changes that initiate AD remain unclear. Previously, we demonstrated that the genes mutated in early-onset, dominantly-inherited familial forms of AD (fAD) are evolving particularly rapidly in mice and rats. Fortunately, some non-mammalian vertebrates such as the zebrafish preserve fAD-relevant transcript isoforms of the PRESENILIN (PSEN1 and PSEN2) genes that these rodents have lost. Zebrafish are powerful vertebrate genetic models for many human diseases, but no genetic model of fAD in zebrafish currently exists. We edited the zebrafish genome to model the unique, protein-truncating fAD mutation of human PSEN2, K115fs. Analysing the brain transcriptome and proteome of young (6-month-old) and aged, infertile (24-month-old) wild type and heterozygous fAD-like mutant female sibling zebrafish supports accelerated brain aging and increased glucocorticoid signalling in young fAD-like fish, leading to a transcriptional 'inversion' into glucocorticoid resistance and vast changes in biological pathways in aged, infertile fAD-like fish. Notably, one of these changes involving microglia-associated immune responses regulated by the ETS transcription factor family is preserved between our zebrafish fAD model and human early-onset AD. Importantly, these changes occur before obvious histopathology and likely in the absence of Aβ. Our results support the contributions of early metabolic and oxidative stresses to immune and stress responses favouring AD pathogenesis and highlight the value of our fAD-like zebrafish genetic model for elucidating early changes in the brain that promote AD pathogenesis. The success of our approach has important implications for future modelling of AD.