The pituitary is the vertebrate endocrine gland responsible for the production and secretion of several essential peptide hormones. These, in turn, control many aspects of an animal's physiology and development, including growth, reproduction, homeostasis, metabolism and stress responses. In teleost fish, each hormone is presumably produced by a specific cell type. However, key details on the regulation of, and communication between these cell types remain to be resolved. We have therefore used single-cell sequencing to generate gene expression profiles for 2592 and 3804 individual cells from the pituitaries of female and male adult medaka (Oryzias latipes), respectively. Based on expression profile clustering, we define 15 and 16 distinct cell types in the female and male pituitary, respectively, of which ten are involved in the production of a single peptide hormone. Collectively, our data provide a high-quality reference for studies on pituitary biology and the regulation of hormone production, both in fish and in vertebrates in general.

Abstract Directing both organismal homeostasis and physiological adaptation, the pituitary is a key endocrine gland in all vertebrates. It communicates the needs of the organism to different organs by secreting hormones into the bloodstream. Here, we have used the model fish medaka to investigate the developmental dynamics in the pituitary using a comprehensive RNA-seq time series. By linking developmental expression trends to single-cell RNA-seq profiles, we show how the transcriptional activities of cell types change during sexual maturation. One of the most prominent changes is the decline of the non-endocrine folliculo-stellate cell populations, and especially of rare cells expressing genes encoding secreted lipid transport proteins. As these genes are typically associated with the liver, this reveals the existence of unexpected connections between endocrine communication, lipid homeostasis, and sexual maturation.

Abstract In vertebrates, the anterior pituitary plays a crucial role in regulating several essential physiological processes via the secretion of at least seven peptide hormones by different endocrine cell types. Comparative and comprehensive knowledge of the spatial distribution of those endocrine cell types is required to better understand their role during the animal life. Using medaka as the model and several combinations of multi-color fluorescence in situ hybridization, we present the first 3D atlas revealing the gland-wide distribution of seven endocrine cell populations: lactotropes, thyrotropes, Lh and Fsh gonadotropes, somatotropes, and pomca -expressing cells (corticotropes and melanotropes) in the anterior pituitary of a teleost fish. By combining in situ hybridization and immunofluorescence techniques, we deciphered the location of corticotropes and melanotropes within the pomca -expressing cell population. The 3D localization approach reveals sexual dimorphism of tshba - and pomca -expressing cells in the adult medaka pituitary. Finally, we show the existence of bi-hormonal cells co-expressing lhb-fshb, fshb-tshba and lhb-sl using single-cell transcriptomics analysis and in situ hybridization. This study offers a solid basis for future comparative studies of the teleost pituitary and its developmental plasticity. Highlights - We offer the first 3D atlas of a teleost pituitary, which presents a valuable resource to the endocrinology and model fish community. - The atlas reveals the 3D spatial distribution of the seven endocrine cell types and blood vessels in the juvenile/adult male and female pituitary. - Gene expression for tshba and pomca , as well as the population size of cells expressing these genes, displays obvious sexual dimorphism in the adult medaka pituitary. - Multi-color in situ hybridization and single cell RNA-seq reveal the existence of bi-hormonal cells, co-expressing lhb-fshb, fshb-tshba, lhb-sl , and a few multi-hormonal cells. - An online version of the atlas is available at https://www.nmbu.no/go/mpg-atlas .

Abstract Sex steroids, produced by the gonads, play an essential role in the neuroendocrine control of reproduction in all vertebrates by providing feedback to the brain and pituitary. Sex steroids also play an important role in tissue plasticity by regulating cell proliferation in several tissues including the brain and the pituitary. Therefore, investigating the role of sex steroids and mechanisms by which they act is crucial to better understand both feedback mechanism and tissue plasticity. Teleost fish, which possess a higher degree of tissue plasticity and variations in reproduction strategies compared to mammals, appear to be useful models to investigate these questions. The removal of the main source of sex steroid production using gonadectomy together with blood sampling to measure steroid levels, have been well-established and fairly feasible in bigger fish and are powerful techniques to investigate the role and effects of sex steroids. However, small fish such as zebrafish and medaka, which are particularly good model organisms considering the well-developed genetic toolkit and the numerous protocols available to investigate their biology and physiology, raise challenges for applying such protocols due to their small size. Here, we demonstrate the step-by-step procedure of gonadectomy in both males and females followed by blood sampling in a small sized teleost model, the Japanese medaka ( Oryzias latipes ). The use of these procedures combined with the other advantages of using these small teleost models will greatly improve our understanding of feedback mechanisms in the neuroendocrine control of reproduction and tissue plasticity provided by sex steroids in vertebrates. SUMMARY The article describes a quick protocol to gonadectomize and sample blood from small teleost fish, using medaka ( Oryzias latipes ) as a model, to investigate the role of sex steroids in animal physiology.

ABSTRACT Environmental light is perceived and anticipated by organisms to synchronize their biological cycles. Therefore, exposure to artificial light at night could disrupt diurnal and seasonal rhythmicity. Reproduction is a complex physiological process involving integration of environmental signals by the brain, and release of endocrine signals by the pituitary that regulate gametogenesis and spawning. In addition, males from many species form a dominance hierarchy that, through a combination of aggressive and protective behavior, influences their reproductive success. In this study, we investigated the effect of different light regimes, including light pollution at night and continuous light, on the fitness of male fish within a dominance hierarchy using a model fish, the Japanese medaka. In normal light/dark rhythm conditions, we observed that dominant males are more aggressive, remain closer to the female, and spend ten-fold more time spawning than subordinates. By using males with different genotypes, we determined the paternity of the progeny and found that even though subordinate males spend less time with the females, they are equally successful at fertilizing eggs in normal light conditions due to an efficient sneaking behavior. However, when exposed to light at night, dominant males fertilize more eggs. We indeed found that when exposed to nocturnal light pollution, dominant males produce higher quality sperm than subordinate males. Surprisingly, we did not find differences in circulating sex steroid levels, pituitary gonadotropin levels, or gonadosomatic index between dominant and subordinate males, neither in control nor night light condition. Continuous light was found to completely inhibit establishment of male hierarchy. This study is the first to report an effect of light pollution on sperm quality with an impact on male fertilization success in any vertebrate. It has broad implications for fish ecology in urban areas with potential impacts on the genetic diversity of these fish populations. GRAPHICAL ABSTRACT: Highlights: In a triadic relationship, subordinate medaka show sneaking behavior during female spawning, allowing them to produce about 50% of the offspring. Continuous light inhibits establishment of male hierarchy. Light pollution at night shifts the balance of reproductive efficiency between dominant and subordinate males, benefiting dominant males. Exposure to light pollution at night improves sperm quality in dominant fish relative to subordinates, but does not clearly affect reproductive hormone levels.

Abstract The two pituitary gonadotropins, Fsh and Lh, regulate the reproductive function in vertebrates. While many studies have investigated the regulation of gonadotropin production and release by the sex steroid feedback, its role on the regulation of gonadotrope cell number remains unclear. Using medaka as a model and an optimized protocol to restore physiological sex steroids levels following gonadectomy, we show that gonadal sex steroids not only decrease fshb transcript levels, but also Fsh cell number in both sexes. We then investigated the origin of the Fsh cell hyperplasia induced by gonadectomy. In both sexes, BrdU incubation shows that this is achieved via Fsh cell mitosis. In situ hybridization reveals that new Fsh cells also originate from transdifferentiating Tsh cells in females, but not in males. Both phenomena are inhibited by sex steroid supplementation via feeding. In males (but not females), gonadectomy (without recovery with sex steroid supplementation) also reduces sox2 transcript levels and Sox2-immunopositive population volume, suggesting that sox2-progenitors may be recruited to produce new Fsh cells. Opposite to Fsh cells, gonadectomy decreases lhb levels in both sexes, and levels are not restored by sex steroid supplementation. In addition, the regulation of Lh cell number also seems to be sex dependent. Removal of gonadal sex steroids stimulates Lh cell mitosis in male (like Fsh cells), but not in females. To conclude, our study provides the first evidence on sexually dimorphic mechanisms used in the fish pituitary to remodel gonadotrope populations in response to sex steroids. HIGHLIGHTS - Supplementing gonadectomized fish with sex steroids via feeding allows for the recovery of physiological circulating levels of sex steroids. - Gonadal sex steroids not only regulate gonadotrope cell activity, but also gonadotrope cell number. - Removal of gonadal sex steroids induces Fsh cell hyperplasia via mitosis of Fsh cells in both sexes, and transdifferentiation of Tsh cells into bi-hormonal Tsh/Fsh cells in females only. - Gonadectomy also reduces the number of Sox2 progenitor cells in males (but not in females), suggesting that they may be recruited to contribute to Fsh cell hyperplasia. - Removal of gonadal sex steroids stimulates Lh cell mitosis in males, but not in females.

We have sequenced the genome of the endangered European eel using the MinION by Oxford Nanopore, and assembled these data using a novel algorithm specifically designed for large eukaryotic genomes. For this 860 Mbp genome, the entire computational process takes two days on a single CPU. The resulting genome assembly significantly improves on a previous draft based on short reads only, both in terms of contiguity (N50 1.2 Mbp) and structural quality. This combination of affordable nanopore sequencing and light-weight assembly promises to make high-quality genomic resources accessible for many non-model plants and animals.

Abstract Male Atlantic salmon ( Salmo salar ) display different sexual strategies, maturing either as parr during the freshwater phase (as sneaky spawners), or as post smolts following one or several years at sea. First sexual maturation (puberty) occurs at different times depending on environmental and genetic factors. To improve our knowledge on the timing (age and season) of first sexual maturation in Atlantic salmon male parr, we investigated pubertal activation in second generation farmed salmon from the Norwegian river Figgjo, reared under natural conditions of photoperiod and water temperature. Histological analysis, in combination with morphometric measurements, plasma androgen levels and pituitary gonadotropin gene expression analysis revealed that, as previously reported, some male parr initiated early sexual maturation in spring at one year of age. Interestingly, some male parr were observed to initiate sexual maturation already in autumn, six months after hatching (under-yearlings), much earlier than reported in previous studies. One-year old maturing males showed a low induction in gonadotropin levels, while under-yearling maturing males displayed a significant increase in fshb transcripts as compared to immature fish. Plasma testosterone, detectable also in immature males, increased constantly during testes development, while 11-ketotestosterone, undetectable in immature and early maturing males, increased during more advanced stages of maturation. A mild feminization of the testes (ovotestes) was detected in a subset of samples. This study brings new knowledge on the little investigated field of sexually maturing under-yearlings in Atlantic salmon. This is also the first study comparing the physiology of under-yearling vs one-year old maturing male parr, thus bringing new insights to the remarkable plasticity of Atlantic salmon puberty.

Accumulating evidence in the scientific literature indicates that some pituitary cell types are organized in complex networks. Previous observations have indicated that this may also be the case in medaka (Oryzias latipes), where long cellular extensions with varicosity-like swellings are formed by luteinizing hormone (Lh)-producing gonadotropes expressing green fluorescent protein. In this study, immunofluorescence of intact pituitaries reveal that Lh beta polypeptides are mainly located in the varicosity-like swellings and at the extremity of the extensions. Some extensions approach nearby Lh-producing cells, and other extensions are in close contact with blood vessels. To investigate whether these extensions may contribute to network formation, we followed their development using confocal and fluorescent microscopy on primary cultures. During the first two days in culture, the extensions initiated the formation of homotypic cellular networks and clustering. The extensions were classified as either major or minor. Major extensions were several cell diameters long, dependent on microtubules, and displaying varicosity-like swellings at regular intervals. Minor extensions typically protruded from the major, were significantly shorter and thinner, and dependent on actin. The swellings were dependent on both microtubules and actin. Flash photolysis of caged Ca2+ showed that the signal was propagated along the major extensions, intensifying in each swelling, indicating a continuous structure. However, the Ca2+ signal did not transfer to the next cell in the network, but was transferred between cells merged at their somas. In summary, Lh-producing gonadotropes in medaka display a complex cellular structure of extensions, possibly linked to communication with blood vessels and/or other gonadotrope cells.

Follicle stimulating hormone (Fsh) and luteinizing hormone (Lh) produced by the gonadotropes, play a major role in control of reproduction. Contrary to mammals and birds, Lh and Fsh are mostly produced by two separate cell types in teleost. Here, we investigated gonadotrope plasticity, using transgenic lines of medaka (Oryzias latipes) where DsRed2 and hrGfpII are under the control of fshb and lhb promotors respectively. We found that Fsh cells first appear in the pituitary at 8 dpf. Similar to in Lh cells, Fsh cells show hyperplasia from juvenile to adult stages. Hyperplasia is stimulated by estradiol exposure. Both Fsh and Lh cells show hypertrophy during puberty with similar morphology. They also share similar behavior, using their cellular extensions to make networks. We observed bi-hormonal gonadotropes in juvenile and adult fish but not during larval stage where only mono-hormonal cells are observed, suggesting the existence of phenotypic conversion between Fsh and Lh in later stages. This is demonstrated in cell culture, where some Fsh start to produce lhb, a phenomenon enhanced by gonadotropin releasing hormone (Gnrh) stimulation. We have previously shown that medaka Fsh cells lack Gnrh receptors, but here we show that with time in culture, some Fsh cells start responding to Gnrh, while fshb mRNA levels are significantly reduced, both suggestive of phenotypic change. All together, these results reveal high plasticity of gonadotropes due to both estradiol sensitive proliferation and Gnrh promoted phenotypic conversion, and also shows that gonadotropes lose part of their identity when kept in cell culture.