Melanoma is the most lethal form of skin cancer, and the incidence and mortality rates are rapidly rising. Epidemiologically, high numbers of nevi (moles) are associated with higher risk of melanoma [1Chin L. The genetics of malignant melanoma lessons from mouse and man.Nature Rev. Cancer. 2003; 3: 559-570Crossref PubMed Scopus (232) Google Scholar]. The majority of melanomas exhibit activating mutations in the serine/threonine kinase BRAF [2Davies H. Bignell G.R. Cox C. Stephens P. Edkins S. Clegg S. Teague J. Woffendin H. Garnett M.J. Bottomley W. et al.Mutations of the BRAF gene in human cancer.Nature. 2002; 417: 949-954Crossref PubMed Scopus (7607) Google Scholar, 3Brose M.S. Volpe P. Feldman M. Kumar M. Rishi I. Gerrero R. Einhorn E. Herlyn M. Minna J. Nicholson A. et al.BRAF and RAS mutations in human lung cancer and melanoma.Cancer Res. 2002; 62: 6997-7000PubMed Google Scholar, 4Tuveson D.A. Weber B.L. Herlyn M. BRAF as a potential theraputic target in melanoma and other malignancies.Cancer Cell. 2003; 4: 95-98Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (147) Google Scholar]. BRAF mutations may be critical for the initiation of melanoma [5Pollock P.M. Harper U.L. Hansen K.S. Yudt L.M. Stark M. Robbins C.M. Moses T.Y. Hostetter G. Wagner U. Kakareka J. et al.High frequency of BRAF mutations in nevi.Nat. Genet. 2003; 33: 19-20Crossref PubMed Scopus (1277) Google Scholar]; however, the direct role of BRAF in nevi and melanoma has not been tested in an animal model. To directly test the role of activated BRAF in nevus and melanoma development, we have generated transgenic zebrafish expressing the most common BRAF mutant form (V600E) under the control of the melanocyte mitfa promoter. Expression of mutant, but not wild-type, BRAF led to dramatic patches of ectopic melanocytes, which we have termed fish (f)-nevi. Remarkably, in p53-deficient fish, activated BRAF induced formation of melanocyte lesions that rapidly developed into invasive melanomas, which resembled human melanomas and could be serially transplanted. These data provide direct evidence that BRAF activation is sufficient for f-nevus formation, that BRAF activation is among the primary events in melanoma development, and that the p53 and BRAF pathways interact genetically to produce melanoma.

A bioorthogonal organometallic reaction is a biocompatible transformation undergone by a synthetic material exclusively through the mediation of a non-biotic metal source; a selective process used to label biomolecules and activate probes in biological environs. Here we report the in vitro bioorthogonal generation of 5-fluorouracil from a biologically inert precursor by heterogeneous Pd0 catalysis. Although independently harmless, combined treatment of 5-fluoro-1-propargyl-uracil and Pd0-functionalized resins exhibits comparable antiproliferative properties to the unmodified drug in colorectal and pancreatic cancer cells. Live-cell imaging and immunoassay studies demonstrate that the cytotoxic activity of the prodrug/Pd0-resin combination is due to the in situ generation of 5-fluorouracil. Pd0-resins can be carefully implanted in the yolk sac of zebrafish embryos and display excellent biocompatibility and local catalytic activity. The in vitro efficacy shown by this masking/activation strategy underlines its potential to develop a bioorthogonally activated prodrug approach and supports further in vivo investigations. A bioorthogonal organometallic reaction is a biocompatible and chemospecific process. Here, the authors report the bioorthogonal generation of 5-fluorouracil from a biologically inert alkylated precursor by extracellular palladium catalysis, and assess its antiproliferative properties in vitro.

Sporadic vascular malformations (VMs) are complex congenital anomalies of blood vessels that lead to stroke, life-threatening bleeds, disfigurement, overgrowth, and/or pain. Therapeutic options are severely limited, and multidisciplinary management remains challenging, particularly for high-flow arteriovenous malformations (AVM).To investigate the pathogenesis of sporadic intracranial and extracranial VMs in 160 children in which known genetic causes had been excluded, we sequenced DNA from affected tissue and optimized analysis for detection of low mutant allele frequency.We discovered multiple mosaic-activating variants in 4 genes of the RAS/MAPK pathway, KRAS, NRAS, BRAF, and MAP2K1, a pathway commonly activated in cancer and responsible for the germline RAS-opathies. These variants were more frequent in high-flow than low-flow VMs. In vitro characterization and 2 transgenic zebrafish AVM models that recapitulated the human phenotype validated the pathogenesis of the mutant alleles. Importantly, treatment of AVM-BRAF mutant zebrafish with the BRAF inhibitor vemurafinib restored blood flow in AVM.Our findings uncover a major cause of sporadic VMs of different clinical types and thereby offer the potential of personalized medical treatment by repurposing existing licensed cancer therapies.This work was funded or supported by grants from the AVM Butterfly Charity, the Wellcome Trust (UK), the Medical Research Council (UK), the UK National Institute for Health Research, the L'Oreal-Melanoma Research Alliance, the European Research Council, and the National Human Genome Research Institute (US).

Abstract The microphthalmia associated transcription factor (MITF) is a critical regulator of melanocyte development and differentiation. It also plays an important role in melanoma where it has been described as a molecular rheostat that, depending on activity levels, allows reversible switching between different cellular states. Here we show that MITF directly represses the expression of genes associated with the extracellular matrix (ECM) and focal adhesion pathways in human melanoma cells as well as of regulators of epithelial to mesenchymal transition (EMT) such as CDH2, thus affecting cell morphology and cell-matrix interactions. Importantly, we show that these effects of MITF are reversible, as expected from the rheostat model. The number of focal adhesion points increased upon MITF knockdown, a feature observed in drug resistant melanomas. Cells lacking MITF are similar to the cells of minimal residual disease observed in both human and zebrafish melanomas. Our results suggest that MITF plays a critical role as a repressor of gene expression and is actively involved in shaping the microenvironment of melanoma cells in a cell-autonomous manner.

Cancer cellular heterogeneity and therapy resistance arise substantially from metabolic and transcriptional adaptations, but how these are interconnected is poorly understood. Here, we show that, in melanoma, the cancer stem cell marker aldehyde dehydrogenase 1A3 (ALDH1A3) forms an enzymatic partnership with acetyl-coenzyme A (CoA) synthetase 2 (ACSS2) in the nucleus to couple high glucose metabolic flux with acetyl-histone H3 modification of neural crest (NC) lineage and glucose metabolism genes. Importantly, we show that acetaldehyde is a metabolite source for acetyl-histone H3 modification in an ALDH1A3-dependent manner, providing a physiologic function for this highly volatile and toxic metabolite. In a zebrafish melanoma residual disease model, an ALDH1-high subpopulation emerges following BRAF inhibitor treatment, and targeting these with an ALDH1 suicide inhibitor, nifuroxazide, delays or prevents BRAF inhibitor drug-resistant relapse. Our work reveals that the ALDH1A3-ACSS2 couple directly coordinates nuclear acetaldehyde-acetyl-CoA metabolism with specific chromatin-based gene regulation and represents a potential therapeutic vulnerability in melanoma.

Abstract Melanoma heterogeneity and plasticity underlie therapy resistance. Some tumour cells possess innate resistance, while others reprogramme during drug exposure and survive to form persister cells, a source of potential cancer cells for recurrent disease. Tracing individual melanoma cell populations through tumour regression and into recurrent disease remains largely unexplored, in part, because complex animal models are required for live imaging of cell populations over time. Here, we apply tamoxifen-inducible cre ERt2 /loxP lineage tracing to a zebrafish model of MITF-dependent melanoma regression and recurrence to image and trace cell populations in vivo through disease stages. Using this strategy, we show that melanoma persister cells at the minimal residual disease site originate from the primary tumour. Next, we fate mapped rare MITF-independent persister cells and demonstrate that these cells directly contribute to progressive disease. Multiplex immunohistochemistry confirmed MITF-independent persister cells give rise to Mitfa+ cells in recurrent disease. Taken together, our work reveals a direct contribution of persister cell populations to recurrent disease, and provides a resource for lineage tracing methodology in adult zebrafish cancer models. Summary statement We fate map melanoma cells from the primary tumour into a persister cell state and show that persister cells directly contribute to recurrent disease.

Summary Melanocytes, our pigment producing cells, are replenished from multiple stem cell niches in adult tissues. Although pigmentation traits are known risk-factors for melanoma, we know little about melanocyte stem cell (McSC) populations other than hair follicle McSCs, and lack key lineage markers with which to identify McSCs and study their function. Here, we discover that Tfap2b, and a select set of its target genes, specifies an McSC population at the dorsal root ganglia in zebrafish. Functionally, Tfap2b is required for only a few late-stage embryonic melanocytes, and instead is essential for McSC-dependent melanocyte regeneration. Fate- mapping data reveal that tfap2b -expressing McSCs have multi-fate potential, and are the cell-of- origin for large patches of adult melanocytes, and two other pigment cell types, iridophores and xanthophores. Hence, Tfap2b confers McSC identity in early development, thereby distinguishing McSCs from other neural crest and pigment cell lineages, and retains multi-fate potential in the adult zebrafish. Highlights Tfap2b and its target genes specify McSCs with mixed pigment cell identities Functional dependence on Tfap2b for melanocyte regeneration from the McSC tfap2b specifies ErbB-dependent McSCs at the stem cell niche Fate mapping reveals Tfap2b-McSCs have multi-fate potential for adult pigment cells

Gain- or loss-of-function mutations in fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) result in cranial vault defects - highlighting the protein s role in membranous ossification. Zebrafish express high levels of fgfr3 during skull development; in order to study FGFR3 s role in cranial vault development, we generated the first fgfr3 loss-of-function zebrafish (fgfr3lof/lof). The mutant fish exhibited major changes in the craniofacial skeleton, with a lack of sutures, abnormal frontal and parietal bones, and the presence of ectopic bones. Integrated analyses (in vivo imaging, and single-cell RNA sequencing of the osteoblast lineage) of zebrafish fgfr3lof/lof revealed a delay in osteoblast expansion and differentiation, together with changes in the extracellular matrix. These findings demonstrate that fgfr3 is a positive regulator of osteogenesis. We hypothesize that changes in the extracellular matrix within growing bone impair cell-cell communication, mineralization, and new osteoblast recruitment.

ABSTRACT Melanocyte stem cells (McSCs) in zebrafish serve as an on-demand source of melanocytes during growth and regeneration, but metabolic programs associated with their activation and regenerative processes are not well known. Here, using live imaging coupled with scRNA-sequencing, we discovered that quiescent McSCs during regeneration activate a dormant embryonic neural crest transcriptional program followed by an aldehyde dehydrogenase (Aldh) 2 metabolic switch to generate progeny. Unexpectedly, while ALDH2 is well known for its aldehyde clearing mechanisms we find that in regenerating McSCs, Aldh2 activity is required to generate formate – the one-carbon (1C) building block for nucleotide biosynthesis – through formaldehyde metabolism. Consequently, we find that disrupting the 1C cycle with low-doses of methotrexate caused melanocyte regeneration defects. In the absence of Aldh2, we find that purines (but not pyrimidines) are the metabolic end product sufficient for activated McSCs to generate progeny. Together, our work reveals McSCs undergo a two-step cell state transition during regeneration, and that the reaction products of Aldh2 enzymes have tissue-specific stem cell functions that meet metabolic demands in regeneration. SUMMARY STATEMENT In melanocyte regeneration, quiescent McSCs respond by re-expressing a neural crest identity, followed by an Aldh2-dependent metabolic switch to generate progeny.