Abstract Brain tumors can arise following deregulation of signaling pathways normally activated during brain development and may derive from neural stem cells. Given the requirement for Hedgehog in non-neoplastic stem cells, we investigated whether Hedgehog blockade could target the stem-like population in glioblastoma multiforme (GBM). We found that Gli1, a key Hedgehog pathway target, was highly expressed in 5 of 19 primary GBM and in 4 of 7 GBM cell lines. Shh ligand was expressed in some primary tumors, and in GBM-derived neurospheres, suggesting a potential mechanism for pathway activation. Hedgehog pathway blockade by cyclopamine caused a 40%–60% reduction in growth of adherent glioma lines highly expressing Gli1 but not in those lacking evidence of pathway activity. When GBM-derived neurospheres were treated with cyclopamine and then dissociated and seeded in media lacking the inhibitor, no new neurospheres formed, suggesting that the clonogenic cancer stem cells had been depleted. Consistent with this hypothesis, the stem-like fraction in gliomas marked by both aldehyde dehydrogenase activity and Hoechst dye excretion (side population) was significantly reduced or eliminated by cyclopamine. In contrast, we found that radiation treatment of our GBM neurospheres increased the percentage of these stem-like cells, suggesting that this standard therapy preferentially targets better-differentiated neoplastic cells. Most importantly, viable GBM cells injected intracranially following Hedgehog blockade were no longer able to form tumors in athymic mice, indicating that a cancer stem cell population critical for ongoing growth had been removed. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

Hypoxia promotes the expansion of non-neoplastic stem and precursor cell populations in the normal brain, and is common in malignant brain tumors. We examined the effects of hypoxia on stem-like cells in glioblastoma (GBM). When GBM-derived neurosphere cultures are grown in 1% oxygen, hypoxia-inducible factor 1alpha (HIF1alpha) protein levels increase dramatically, and mRNA encoding other hypoxic response genes, such as those encoding hypoxia-inducible gene-2, lysyl oxidase, and vascular endothelial growth factor, are induced over 10-fold. Hypoxia increases the stem-like side population over fivefold, and the percentage of cells expressing CD133 threefold or more. Notch pathway ligands and targets are also induced. The rise in the stem-like fraction in GBM following hypoxia is paralleled by a twofold increase in clonogenicity. We believe HIF1alpha plays a causal role in these changes, as when oxygen-stable HIF1alpha is expressed in normoxic glioma cells CD133 is induced. We used digoxin, which has been shown to lower HIF protein levels in vitro and in vivo, to inhibit the hypoxic response. Digoxin suppressed HIF1alpha protein expression, HIF1alpha downstream targets, and slowed tumor growth in vivo. In addition, pretreatment with digoxin reduced GBM flank xenograft engraftment of hypoxic GBM cells, and daily intraperitoneal injections of digoxin were able to significantly inhibit the growth of established subcutaneous glioblastoma xenografts, and suppressed expression of vascular endothelial growth factor.

Abstract Pleiotropy caused by single-gene mutations is common and poorly understood. A zebrafish null mutant of DNA polymerase α subunit B, huli hutu ( hht) , evolves a complex pleiotropy associated with DNA damage and S phase arrest across multiple organ systems over 5-7 days, including nuclear atypia, a common cellular feature in human cancers and pre-cancers, in gastrointestinal organs, and nuclear fragmentation in the eye and brain. The pleiotropic pattern of hht phenotypes is explained by progressive loss of wild-type maternal pola2 function in homozygous mutant embryos whose pola2 mRNA becomes undetectable by 24 hours post-fertilization (hpf). Inhibition of DNA synthesis by aphidicolin or hydroxyurea in wild-type embryos from 24 hpf phenocopied the pleiotropic pattern of hht . These results are consistent with a model in which time-sensitive, reduced capacity for DNA synthesis results in cell death in fast-replicating cells, and nuclear atypia in tissues with fewer and larger cells.

Abstract Daphnia are keystone species of freshwater habitats used as model organisms in ecology and evolution. They are also routinely used as environmental sentinels in regulatory toxicology and are increasingly contributing to new approach methodologies (NAM) for chemical risk assessments Yet, it is challenging to establish causal links between biomolecular (omics) responses to chemical exposure and their toxicity phenotypes without a baseline knowledge of tissue- and cell-morphology of healthy individuals. Here, we introduce the Da phnia H istology R eference A tlas (DaHRA, http://daphnia.io/anatomy/ ), which provides a baseline of wildtype anatomical and microanatomical structures of female and male Daphnia magna . This interactive web-based resource features overlaid vectorized demarcation of anatomical structures that compliant with an anatomical ontology created for this atlas. Since sex is environmentally induced in Daphnia , DaHRA is a map of sexual dimorphism by phenotypic plasticity. We also benchmark this tool for mechanistic toxicology by exposing Daphnia to acetaminophen and use the atlas to document its effects in organs, tissues, and cell-types. DaHRA represents an essential step towards correlating phenotypes with the discovery power of hypothesis-free, molecular backdrop against which pathology can be interpreted, thereby offering a platform to elucidate how genetic variation and external perturbations cascade through multiple biological scales to influence phenotype. Synopsis Whole-organism Daphnia atlas as foundation for unbiased phenotyping, and its utility in characterizing sexual dimorphism and effects of chemical toxicity.

Tissue phenotyping is foundational to understanding and assessing the cellular aspects of disease in organismal context and an important adjunct to molecular studies in the dissection of gene function, chemical effects, and disease. As a first step toward computational tissue phenotyping, we explore the potential of cellular phenotyping from 3-Dimensional (3D), 0.74 µm isotropic voxel resolution, whole zebrafish larval images derived from X-ray histotomography, a form of micro-CT customized for histopathology. As proof of principle towards computational tissue phenotyping of cells, we created a semi-automated mechanism for the segmentation of blood cells in the vascular spaces of zebrafish larvae, followed by modeling and extraction of quantitative geometric parameters. Manually segmented cells were used to train a random forest classifier for blood cells, enabling the use of a generalized cellular segmentation algorithm for the accurate segmentation of blood cells. These models were used to create an automated data segmentation and analysis pipeline to guide the steps in a 3D workflow including blood cell region prediction, cell boundary extraction, and statistical characterization of 3D geometric and cytological features. We were able to distinguish blood cells at two stages in development (4- and 5-days-post-fertilization) and wild-type vs. polA2 huli hutu ( hht ) mutants. The application of geometric modeling across cell types to and across organisms and sample types may comprise a valuable foundation for computational phenotyping that is more open, informative, rapid, objective, and reproducible.

Abstract Melanin-rich zebrafish melanophores are used to study pigment development, human skin color, and as a large-scale screening phenotype. To facilitate more detailed whole-body, computational analyses of melanin content and morphology, we have combined X-ray microtomography (micro-CT), a non-destructive, full-volume imaging modality, with a novel application of ionic silver staining to characterize melanin distribution in whole zebrafish larvae. Normalized micro-CT reconstructions of silver-stained fish consistently reproduced pigment patterns seen by light microscopy, and allowed direct quantitative comparisons of melanin content across wild-type and mutant samples, for both dramatic and subtle phenotypes not previously described. Silver staining of melanin for micro-CT provides proof-of-principle for whole-body, three-dimensional computational phenomic analysis of a particular cell type at cellular resolution, with potential applications in other model organisms and human melanoma biopsies. Whole-organism, high-resolution phenotyping is a challenging ideal, but provides superior context for functional studies of mutations, diseases, and environmental influences.

Histological studies providing cellular insights into tissue architecture have been central to biological discovery and remain clinically invaluable today. Extending histology to three dimensions would be transformational for research and diagnostics. However, three-dimensional histology is impractical using current techniques. We have customized sample preparation, synchrotron X-ray tomographic parameters, and three-dimensional image analysis to allow for complete histological phenotyping using whole larval and juvenile zebrafish. The resulting digital zebrafish can be virtually sectioned and visualized in any plane. Whole-animal reconstructions at subcellular resolution also enable computational characterization of the zebrafish nervous system by region-specific detection of cell nuclei and quantitative assessment of individual phenotypic variation. Three-dimensional histological phenotyping has potential use in genetic and chemical screens, and in clinical and toxicological tissue diagnostics.