Healthy Research Rewards
ResearchHub is incentivizing healthy research behavior. At this time, first authors of open access papers are eligible for rewards. Visit the publications tab to view your eligible publications.
Got it
JG
Julia Ganz
Author with expertise in Diversity and Function of Gut Microbiome
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
7
(57% Open Access)
Cited by:
744
h-index:
21
/
i10-index:
24
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Host Gut Motility Promotes Competitive Exclusion within a Model Intestinal Microbiota

Travis Wiles et al.Jul 26, 2016
The gut microbiota is a complex consortium of microorganisms with the ability to influence important aspects of host health and development. Harnessing this "microbial organ" for biomedical applications requires clarifying the degree to which host and bacterial factors act alone or in combination to govern the stability of specific lineages. To address this issue, we combined bacteriological manipulation and light sheet fluorescence microscopy to monitor the dynamics of a defined two-species microbiota within a vertebrate gut. We observed that the interplay between each population and the gut environment produces distinct spatiotemporal patterns. As a consequence, one species dominates while the other experiences sudden drops in abundance that are well fit by a stochastic mathematical model. Modeling revealed that direct bacterial competition could only partially explain the observed phenomena, suggesting that a host factor is also important in shaping the community. We hypothesized the host determinant to be gut motility, and tested this mechanism by measuring colonization in hosts with enteric nervous system dysfunction due to a mutation in the ret locus, which in humans is associated with the intestinal motility disorder known as Hirschsprung disease. In mutant hosts we found reduced gut motility and, confirming our hypothesis, robust coexistence of both bacterial species. This study provides evidence that host-mediated spatial structuring and stochastic perturbation of communities can drive bacterial population dynamics within the gut, and it reveals a new facet of the intestinal host-microbe interface by demonstrating the capacity of the enteric nervous system to influence the microbiota. Ultimately, these findings suggest that therapeutic strategies targeting the intestinal ecosystem should consider the dynamic physical nature of the gut environment.
0
Citation190
0
Save
1

A rapid F0 CRISPR screen in zebrafish to identify regulators of neuronal development in the enteric nervous system

Ann Davidson et al.Jul 18, 2021
Abstract The enteric nervous system (ENS) provides the intrinsic innervation of the gastrointestinal (GI) tract with millions of neurons and diverse neuronal subtypes and glial cells. The ENS regulates essential gut functions such as motility, nutrient uptake, and immune response, but basic information about the genes that control ENS neuronal specification and differentiation remains largely unknown. Deficits in ENS neuron numbers and composition cause gut dysfunction with debilitating GI symptoms, and are associated with e.g. Hirschsprung disease, inflammatory gut diseases, autism spectrum disorder, and neurodegenerative diseases such as Parkinson’s disease. The genetic basis of most of these ENS disorders remains unknown. Recent transcriptomic analyses have identified many candidate genes for regulating ENS neurogenesis. However, functional evaluation of these candidate genes significantly lags because experimental testing of their role in ENS neurogenesis is time-consuming and expensive. Here, we have developed a rapid, scalable F 0 CRISPR genome editing screen in zebrafish to functionally determine which candidate genes control neuronal development in the ENS. Proof-of-concept experiments targeting the known ENS regulators sox10 and ret phenocopy stable mutants with high efficiency and precision showing that our approach is reliable to identify regulators ENS neurogenesis using F 0 guide RNA-injected larvae (F 0 crispants). We then evaluate the role of 10 transcription factor genes for regulating ENS neurogenesis and function. Pools of guide RNAs targeting 2-3 candidate genes are co-injected with Cas9 protein into one-cell stage phox2bb:GFP transgenic zebrafish embryos to directly assess qualitative change in ENS neuron numbers compared to controls in 6-day old F 0 crispants. Target genes from crispant pools exhibiting reduced ENS neuronal numbers were then tested individually to identify the responsible gene(s). We identify five transcription factors that show a reduction in ENS neurons indicating an influence on enteric progenitor cell differentiation into ENS neurons. Adding a simple and efficient test to further assess crispant gut motility, we find that loss-of-function of two of the transcription factor genes reduced intestinal transit of fluorescently labeled food through the gut. In summary, our novel, multistep, yet straight-forward CRISPR screening approach in zebrafish enables testing the genetic basis of ENS developmental and disease gene functions that will facilitate high-throughput evaluation of the manifold candidate genes emerging from transcriptomic, genome-wide association or other ENS-omics studies. Such in vivo ENS crispant screens will contribute to a better understanding of ENS neuronal development regulation in vertebrates and what goes awry in ENS disorders.
1
Citation6
0
Save
0

Host Gut Motility and Bacterial Competition Drive Instability in a Model Intestinal Microbiota

Travis Wiles et al.May 12, 2016
The gut microbiota is a complex consortium of microorganisms with the ability to influence important aspects of host health and development. Harnessing this "microbial organ" for biomedical applications requires clarifying the degree to which host and bacterial factors act alone or in combination to govern the stability of specific lineages. To address this we combined bacteriological manipulation and light sheet fluorescence microscopy to monitor the dynamics of a defined two-species microbiota within the vertebrate gut. We observed that the interplay between each population and the gut environment produced distinct spatiotemporal patterns. Consequently, one species dominates while the other experiences dramatic collapses that are well fit by a stochastic mathematical model. Modeling revealed that bacterial competition could only partially explain the observed phenomena, suggesting that a host factor is also important in shaping the community. We hypothesized the host determinant to be gut motility, and tested this mechanism by measuring colonization in hosts with enteric nervous system dysfunction due to mutation in the Hirschsprung disease locus ret. In mutant hosts we found reduced gut motility and, confirming our hypothesis, robust coexistence of both bacterial species. This study provides evidence that host-mediated spatial structuring and stochastic perturbation of communities along with bacterial competition drives population dynamics within the gut. In addition, this work highlights the capacity of the enteric nervous system to affect stability of gut microbiota constituents, demonstrating that the "gut-brain axis" is bidirectional. Ultimately, these findings will help inform disease mitigation strategies focused on engineering the intestinal ecosystem.
0

Epigenetic factors coordinate intestinal development

Julia Ganz et al.Aug 23, 2018
Intestinal epithelium development depends on epigenetic modifications, but whether that is also the case for other intestinal tract cell types remains unclear. We found that functional loss of a DNA methylation machinery component, ubiquitin-like protein containing PHD and RING finger domains 1 (uhrf1), leads to reduced enteric neuron number, changes in neuronal morphology, and severe intestinal smooth muscle disruption. Genetic chimeras revealed that Uhrf1 functions both cell-autonomously in enteric neuron progenitors and cell-non-autonomously in surrounding intestinal cells. Uhrf1 recruits the DNA methyltransferase Dnmt1 to unmethylated DNA during replication. Dnmt1 is also expressed in enteric neuron and smooth muscle progenitors. dnmt1 mutants show a strong reduction in enteric neuron number and disrupted intestinal smooth muscle. Because dnmt1;uhrf1 double mutants have a similar phenotype to dnmt1 and uhrf1 single mutants, Dnmt1 and Uhrf1 must function together during enteric neuron and intestinal muscle development. This work shows that genes controlling epigenetic modifications are important in coordinating intestinal tract development, provides the first demonstration that these genes are important in ENS development, and advances uhrf1 and dnmt1 as potential new Hirschsprung disease candidates.
0

Image velocimetry and spectral analysis enable quantitative characterization of larval zebrafish gut motility

Julia Ganz et al.Jul 28, 2017
Normal gut function requires rhythmic and coordinated movements that are affected by developmental processes, physical and chemical stimuli, and many debilitating diseases. The imaging and characterization of gut motility, especially regarding periodic, propagative contractions driving material transport, are therefore critical goals. Whereas previous image analysis approaches have successfully extracted properties related to temporal frequency of motility modes, robust measures of contraction magnitude remain elusive. We developed a new image analysis method based on image velocimetry and spectral analysis that reveals temporal characteristics such as frequency and wave propagation speed, while also providing quantitative measures of the amplitude of gut motions. We validate this approach using several challenges to larval zebrafish, imaged with differential interference contrast microscopy. Both acetylcholine exposure and feeding increase frequency and amplitude of motility. Larvae lacking enteric nervous system gut innervation show the same average motility frequency, but reduced and less variable amplitude compared to wild-types. Our image analysis approach enables insights into gut dynamics in a wide variety of developmental and physiological contexts and can also be extended to analyze other types of cell movements.
0

Evolution of Endothelin signaling and diversification of adult pigment pattern inDaniofishes

Jessica Spiewak et al.Jul 6, 2018
Abstract Fishes of the genus Danio exhibit diverse pigment patterns that serve as useful models for understanding the genes and cell behaviors underlying the evolution of adult form. Among these species, zebrafish D. rerio exhibit several dark stripes of melanophores with sparse iridophores that alternate with light interstripes of dense iridophores and xanthophores. By contrast, the closely related species D. nigrofasciatus has an attenuated pattern with fewer melanophores, stripes and interstripes. Here we demonstrate species differences in iridophore development that presage the fully formed patterns. Using genetic and transgenic approaches we identify the secreted peptide Endothelin-3 (Edn3)—a known melanogenic factor of tetrapods—as contributing to reduced iridophore proliferation and fewer stripes and interstripes in D. nigrofasciatus . We further show the locus encoding this factor is expressed at lower levels in D. nigrofasciatus owing to cis -regulatory differences between species. Finally, we show that functions of two paralogous loci encoding Edn3 have been partitioned between skin and non-skin iridophores. Our findings reveal genetic and cellular mechanisms contributing to pattern differences between these species and suggest a model for evolutionary changes in Edn3 requirements across vertebrates. Author Summary Neural crest derived pigment cells generate the spectacular variation in skin pigment patterns among vertebrates. Mammals and birds have just a single skin pigment cell, the melanocyte, whereas ectothermic vertebrates have several pigment cells including melanophores, iridophores and xanthophores, that together organize into a diverse array of patterns. In the teleost zebrafish, Danio rerio , an adult pattern of stripes depends on interactions between pigment cell classes and between pigment cells and their tissue environment. The close relative, D. nigrofasciatus has fewer stripes and prior analyses suggested a difference between these species that lies extrinsic to the pigment cells themselves. A candidate for mediating this difference is Endothelin-3 (Edn3), essential for melanocyte development in warm-blooded animals, and required by all three classes of pigment cells in an amphibian. We show that Edn3 specifically promotes iridophore development in Danio , and that differences in Edn3 expression contribute to differences in iridophore complements, and striping, between D. rerio and D. nigrofasciatus . Our study reveals a novel function for Edn3 and provides new insights into how changes in gene expression yield morphogenetic outcomes to effect diversification of adult form.