A high-quality sequence assembly of the zebrafish genome reveals the largest gene set of any vertebrate and provides information on key genomic features, and comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human protein-coding genes have at least one clear zebrafish orthologue. The genome of the zebrafish — a key model organism for the study of development and human disease — has now been sequenced and published as a well-annotated reference genome. Zebrafish turns out to have the largest gene set of any vertebrate so far sequenced, and few pseudogenes. Importantly for disease studies, comparison between human and zebrafish sequences reveals that 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. A second paper reports on an ongoing effort to identify and phenotype disruptive mutations in every zebrafish protein-coding gene. Using the reference genome sequence along with high-throughput sequencing and efficient chemical mutagenesis, the project's initial results — covering 38% of all known protein-coding genes — they describe phenotypic consequences of more than 1,000 alleles. The long-term goal is the creation of a knockout allele in every protein-coding gene in the zebrafish genome. All mutant alleles and data are freely available at go.nature.com/en6mos . Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function1,2. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease3,4,5. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes6, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

Cancer cells simultaneously exhibit glycolysis with lactate secretion and mitochondrial respiration even in the presence of oxygen, a phenomenon known as the Warburg effect. The maintenance of this mixed metabolic phenotype is seemingly counterintuitive given that aerobic glycolysis is far less efficient in terms of ATP yield per moles of glucose than mitochondrial respiration.Here, we resolve this apparent contradiction by expanding the notion of metabolic efficiency. We study a reduced flux balance model of ATP production that is constrained by the glucose uptake capacity and by the solvent capacity of the cell's cytoplasm, the latter quantifying the maximum amount of macromolecules that can occupy the intracellular space. At low glucose uptake rates we find that mitochondrial respiration is indeed the most efficient pathway for ATP generation. Above a threshold glucose uptake rate, however, a gradual activation of aerobic glycolysis and slight decrease of mitochondrial respiration results in the highest rate of ATP production.Our analyses indicate that the Warburg effect is a favorable catabolic state for all rapidly proliferating mammalian cells with high glucose uptake capacity. It arises because while aerobic glycolysis is less efficient than mitochondrial respiration in terms of ATP yield per glucose uptake, it is more efficient in terms of the required solvent capacity. These results may have direct relevance to chemotherapeutic strategies attempting to target cancer metabolism.

Abstract Hematopoietic stem cells (HSCs) must ensure adequate blood cell production following distinct external stressors. A comprehensive understanding of in vivo heterogeneity and specificity of HSC responses to external stimuli is currently lacking. We performed single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) on functionally validated mouse HSCs and LSK (Lin-, c-Kit+, Sca1+) progenitors after in vivo perturbation of niche signals interferon, granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF), and prostaglandin. We identified six HSC states that are characterized by enrichment but not exclusive expression of marker genes. Niche perturbations induce novel and rapid transitions between these HSC states. Differential expression analysis within each state revealed HSC- and LSK-specific molecular signatures for each perturbation. Chromatin analysis of unperturbed HSCs and LSKs by scATAC-Seq revealed HSC-specific, cell intrinsic predispositions to niche signals. We compiled a comprehensive resource of HSC- and progenitor-specific chromatin and transcriptional features that represent important determinants of regenerative potential during stress hematopoiesis.

Abstract The hematopoietic niche is a supportive microenvironment comprised of distinct cell types, including specialized vascular endothelial cells that directly interact with hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The molecular factors that specify niche endothelial cells and orchestrate HSPC homeostasis remain largely unknown. Using multi-dimensional gene expression and chromatin accessibility analyses, we define a conserved gene expression signature and cis -regulatory landscape unique to sinusoidal endothelial cells in the HSPC niche. Using enhancer mutagenesis and transcription factor overexpression, we elucidate a transcriptional code involving members of the Ets, Sox and Nuclear Hormone Receptor families that is sufficient to induce ectopic niche endothelial cells that associate with mesenchymal stromal cells and support the recruitment, maintenance and division of HSPCs in vivo . These studies set forth an approach for generating synthetic HSPC niches, in vitro or in vivo , and for effective therapies to modulate the endogenous niche.

Abstract Somatic driver mutations, in genes such as FBXW7, have been discovered in phenotypically normal colonic tissue, however their role in cancer initiation remains elusive. Here, using patient-derived human colon organoids as models of early tumour evolution we investigate the consequences of FBXW7 mutations in normal and gene-edited organoids. We observed that FBXW7 mutations exert an epistatic effect where the transcriptional consequences of the mutation are dependent on the background mutational makeup of the cell. Specifically, we found the timing of acquiring an FBXW7 mutation relative to APC mutation, led to profound differences. When FBXW7 was mutated before APC , repression of the APC transcriptional response and maintenance of near-normal cell state was seen. However, when APC was mutated before FBXW7 , cells acquired classic cancer-stem cell features. Single-cell RNA sequencing revealed that FBXW7 mutations in normal tissue also function by subtly reordering stem cell hierarchies and priming a fetal/regenerative phenotype through upregulation of YAP/TAZ signaling. Further analysis using transposase-accessible chromatin sequencing found this cellular plasticity was driven by changes in the chromatin accessibility of 36 transcriptional start site regions associated with TEAD1/TEAD2 motifs, which in turn upregulated YAP. Taken together, we demonstrate a critical role of FBXW7 mutations in preventing the initiation of colorectal cancer, and provide exemplar evidence for the importance of epistasis and mutational order in cancer biology.

Background Adolescent and young adult (AYA) patients with cancer commonly experience psychological distress, with female patients experiencing higher levels of psychological distress. Objective The aim of this study was to investigate the relationships among circadian rhythm, sleep quality, inflammatory markers, and psychological distress in AYA patients with gynecological cancer in China. Methods This cross-sectional study enrolled 75 AYA patients in treatment for gynecological cancer, 64 of whom completed the Chinese version of the Morningness-Eveningness Questionnaire and the Distress Thermometer. Actigraphy was used to measure their objective sleep parameters: total sleep time, sleep onset latency, and sleep efficiency. Blood samples collected 3 times across 1 day were used to measure the average levels of interleukin 6, C-reactive protein, and tumor necrosis factor α. Results The mean score on the Distress Thermometer among respondents was 4.23, which was above the cutoff value for clinically significant psychological distress. High levels of psychological distress may be associated with circadian disturbances, poor sleep quality, and elevated inflammatory markers. In addition, total sleep time, sleep onset latency, and tumor necrosis factor α averages were the dominant predictors of these AYA patients’ psychological distress. Conclusion Improving sleep quality and reducing the levels of inflammatory markers may relieve psychological distress among AYA patients with gynecological cancer. Implications for Practice Healthcare professionals need to actively focus on circadian rhythm, inflammatory markers, sleep quality, and mental health status in AYA cancer patients to better meet their therapeutic and psychological needs.

Gene expression in a tissue-specific context depends on the combined efforts of epigenetic, transcriptional and post-transcriptional processes that lead to the production of specific proteins that are important determinants of cellular identity. Ribosomes are a central component of the protein biosynthesis machinery in cells; however, their regulatory roles in the translational control of gene expression in skeletal muscle remain to be defined. In a genetic screen to identify critical regulators of myogenesis, we identified a DEAD-Box RNA helicase, DDX27, that is required for skeletal muscle growth and regeneration. We demonstrate that DDX27 regulates ribosomal RNA (rRNA) maturation, and thereby the ribosome biogenesis and the translation of specific transcripts during myogenesis. These findings provide insight into the translational regulation of gene expression in myogenesis and suggest novel functions for ribosomes in regulating gene expression in skeletal muscles.

Defects in the enzymes involved in heme biosynthesis result in a group of human metabolic genetic disorders known as porphyrias. Using a zebrafish model for human hepatoerythropoietic porphyria (HEP), caused by defective uroporphyrinogen decarboxylase (Urod), the fifth enzyme in the heme biosynthesis pathway, we recently have found a novel aspect of porphyria pathogenesis. However, no hereditable zebrafish models with genetic mutations of alad and cpox, encoding the second enzyme delta-aminolevulinate dehydratase (Alad) and the sixth enzyme coproporphyrinogen oxidase (Cpox), have been established to date. Here we employed site-specific genome-editing tools transcription activator-like effector nuclease (TALEN) and clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) to generate zebrafish mutants for alad and cpox. These zebrafish mutants display phenotypes of heme deficiency, hypochromia, abnormal erythrocytic maturation and accumulation of heme precursor intermediates, reminiscent of human ALA-dehydratase-deficient porphyria (ADP) and hereditary coproporphyrian (HCP), respectively. Further, we observed altered expression of genes involved in heme biosynthesis and degradation and particularly down-regulation of exocrine pancreatic zymogens in ADP (alad-/-) and HCP (cpox-/-) fishes. These two zebrafish porphyria models can survive at least 7 days and thus provide invaluable resources for elucidating novel pathological aspects of porphyrias, evaluating mutated forms of human ALAD and CPOX, discovering new therapeutic targets and developing effective drugs for these complex genetic diseases. Our studies also highlight generation of zebrafish models for human diseases with two versatile genome-editing tools.

Epoxyeicosatrienoic acids (EETs) are endogenous lipid signaling molecules with cardioprotective and vasodilatory actions. We recently showed that exogenous addition of 11,12-EET enhances hematopoietic induction and engraftment in mice and zebrafish. EETs are known to signal via a G-protein coupled receptor(s), and significant research supports the existence of a specific high-affinity receptor. Identification of a hematopoietic specific EET receptor would enable genetic interrogation of the EET signaling pathway and perhaps clinical use of this molecule. We developed a bioinformatic approach to identify the EET receptor based on the expression of GPCRs in cell lines with differential responses to EETs. We found 10 candidate EET receptors that are commonly expressed in three EET-responsive human cell lines, but not expressed in an EET-unresponsive line. Of these candidates, only GPR132 showed EET-responsiveness in vitro using a luminescence-based assay for β-arrestin recruitment. Knockdown of zebrafish gpr132b prevented EET-induced hematopoiesis, and marrow from GPR132 knockout mice showed decreased long-term engraftment capability. In contrast to the putative high-affinity EET receptor, GPR132 is reported to have affinity for additional fatty acids in vitro, and we found that these same fatty acids enhance hematopoietic stem cell specification in the zebrafish. We conducted structure-activity relationship analyses using both in vitro and in vivo assays on diverse medium chain fatty acids. Certain oxygenated, unsaturated free fatty acids showed high activation of GPR132, while unoxygenated or saturated fatty acids had lower activity. Absence of the carboxylic acid moiety prevented activity, suggesting that this moiety is required for receptor activation. GPR132 responds to a select panel of polyunsaturated, oxygenated fatty acids to enhance both embryonic and adult hematopoiesis.

Recent genomic and scRNA-seq analyses of melanoma identified common transcriptional states correlating with invasion or drug resistance, but failed to find recurrent drivers of metastasis. To test whether transcriptional adaptation can drive melanoma progression, we made use of a zebrafish mitfa:BRAFV600E;tp53-/- model, in which malignant progression is characterized by minimal genetic evolution. We undertook an overexpression-screen of 80 epigenetic/transcriptional regulators and found neural crest-mesenchyme developmental regulator SATB2 to accelerate aggressive melanoma development. Its overexpression induces invadopodia formation and invasion in zebrafish tumors and human melanoma cell lines. SATB2 binds and activates neural crest-regulators, including pdgfab and snai2. The transcriptional program induced by SATB2 overlaps with known MITF low AXL hlgh and AQP1 + NGFR1 high drug resistant states and functionally drives enhanced tumor propagation and resistance to Vemurafenib in vivo. Here we show that melanoma transcriptional rewiring by SATB2 to a neural crest mesenchyme-like program can drive invasion and drug resistance in endogenous tumors.