Abstract Blood vessel networks expand in a 2-step process that begins with vessel sprouting and is followed by vessel anastomosis. Vessel sprouting is induced by chemotactic gradients of the vascular endothelial growth factor (VEGF), which stimulates tip cell protrusion. Yet it is not known which factors promote the fusion of neighboring tip cells to add new circuits to the existing vessel network. By combining the analysis of mouse mutants defective in macrophage development or VEGF signaling with live imaging in zebrafish, we now show that macrophages promote tip cell fusion downstream of VEGF-mediated tip cell induction. Macrophages therefore play a hitherto unidentified and unexpected role as vascular fusion cells. Moreover, we show that there are striking molecular similarities between the pro-angiogenic tissue macrophages essential for vascular development and those that promote the angiogenic switch in cancer, including the expression of the cell-surface proteins TIE2 and NRP1. Our findings suggest that tissue macrophages are a target for antiangiogenic therapies, but that they could equally well be exploited to stimulate tissue vascularization in ischemic disease.

Pax6 and Pax2 are members of the Pax family of transcription factors that are both expressed in the developing visual system of zebrafish embryos. Pax6 protein is present in all cells that form the neural retina and pigment epithelium, whereas Pax2 is located primarily in cells that will give rise to the optic stalk. In this study, we have addressed the role of midline signalling in the regulation of Pax2 and Pax6 distributions and in the subsequent morphogenesis of the eyes. Midline signalling is severely perturbed in cyclops mutant embryos resulting in an absence of ventral midline CNS tissue and fusion of the eyes. Mutant embryos ectopically express Pax6 in a bridge of tissue around the anterior pole of the neural keel in the position normally occupied by cells that form the optic stalks. In contrast, Pax2 protein is almost completely absent from this region in mutant embryos. Concommitant with the changes in Pax protein distribution, cells in the position of the optic stalks differentiate as retina. These results suggest that a signal emanating from the midline, which is absent in cyclops mutant embryos, may be required to promote Pax2 and inhibit Pax6 expression in cells destined to form the optic stalks. Sonic hedgehog (Shh also known as Vhh-1 and Hhg-1) is a midline signalling molecule that is absent from the neuroepithelium of cyclops mutant embryos at early developmental stages. To test the possibility that Shh might be able to regulate the spatial expression of Pax6 and Pax2 in the optic primordia, it was overexpressed in the developing CNS. The number of cells containing Pax2 was increased following shh overexpression and embryos developed hypertrophied optic stalk-like structures. Complimentary to the changes in Pax2 distribution, there were fewer Pax6-containing cells and pigment epithelium and neural retina were reduced. Our results suggest that Shh or a closely related signalling molecule emanating from midline tissue in the ventral forebrain either directly or indirectly induces the expression of Pax2 and inhibits the expression of Pax6 and thus may regulate the partitioning of the optic primordia into optic stalks and retinal tissue.

Antigen specific llama VHH antibody fragments were compared to antigen specific mouse monoclonal antibodies with respect to specificity, affinity and stability. The llama VHH antibody fragments and the mouse monoclonal antibodies investigated were shown to be highly specific for the protein antigen hCG or the hapten antigen RR-6. The affinity of the interaction between monovalent llama VHH antibody fragments and their antigen is close to the nanomolar range, similar to the bivalent mouse monoclonal antibodies studied. Llama VHH antibody fragments are similar to mouse monoclonal antibodies with respect to antigen binding in the presence of ammonium thiocyanate and ethanol. The results show that relative to antigen specific mouse monoclonal antibodies, antigen specific llama VHH fragments are extremely temperature stable. Two out of six llama VHHs are able to bind antigen specifically at temperatures as high as 90°C, whereas four out of four mouse monoclonal antibodies are not functional at this temperature. Together with the finding that llama VHH fragments can be produced at high yield in Saccharomyces cerevisiae, these findings indicate that in the near future antigen specific llama VHH fragments can be used in for antibodies unexpected products and processes.

ABSTRACT We have examined neuronal differentiation and the formation of axon tracts in the embryonic forebrain and midbrain of the zebrafish, between 1 and 2 days postfertilisation. Axons were visualised with three techniques; immunocytochemistry (using HNK-1 and antiacetylated tubulin antibodies) and horseradish peroxidase (HRP) labelling in whole-mounted brains, and transmission electron microscopy. Differentiation was monitored by histochemical staining for acetylcholinesterase (AChE). These independent methods demonstrated that a simple grid of tracts and commissures forms the initial axon scaffold of the brain. At 1 day, the olfactory nerve, four commissures, their associated tracts and three other non-commissural tracts are present. By 2 days, these tracts and commissures have all greatly enlarged and, in addition, the optic nerve and tract, and three new commissures and their associated tracts have been added. Small applications of HRP at various sites revealed the origins and projections of some of these earliest axons. Retrogradely labelled cell bodies originated from regions that were also positive for AChE activity. At 1 day, HRP-labelled axons were traced: (1) from the olfactory placode through the olfactory nerve to the dorsal telencephalon; (2) from the telencephalon into the tract of the anterior commissure and also to the postoptic region of the diencephalon; (3) from the hindbrain through the ventral midbrain and diencephalon to the postoptic commissure; (4) from the dorsal diencephalon (in or near the epiphysis) to the tract of the postoptic commissure; (5) from ventral and rostral midbrain through the posterior commissure. Three new projections were demonstrated at 2 days: (1) from the retina through the tract of the postoptic commissure to the tectum; (2) from the telencephalon to the contralateral diencephalon; and (3) from the telencephalon to the ventral flexure. These results show that at 1 day, the zebrafish brain is impressively simple, with a few small, well-separated tracts but by 2 days the brain is already considerably more complex. Most of the additional axons added onto pre-existent tracts rather than pioneered new ones supporting the notion that other axons play a crucial role in the guidance of early central nervous system (CNS) axons.

MicroRNA (miRNA) encoding genes are abundant in vertebrate genomes but very few have been studied in any detail. Bioinformatic tools allow prediction of miRNA targets and this information coupled with knowledge of miRNA expression profiles facilitates formulation of hypotheses of miRNA function. Although the central nervous system (CNS) is a prominent site of miRNA expression, virtually nothing is known about the spatial and temporal expression profiles of miRNAs in the brain. To provide an overview of the breadth of miRNA expression in the CNS, we performed a comprehensive analysis of the neuroanatomical expression profiles of 38 abundant conserved miRNAs in developing and adult zebrafish brain.Our results show miRNAs have a wide variety of different expression profiles in neural cells, including: expression in neuronal precursors and stem cells (for example, miR-92b); expression associated with transition from proliferation to differentiation (for example, miR-124); constitutive expression in mature neurons (miR-124 again); expression in both proliferative cells and their differentiated progeny (for example, miR-9); regionally restricted expression (for example, miR-222 in telencephalon); and cell-type specific expression (for example, miR-218a in motor neurons).The data we present facilitate prediction of likely modes of miRNA function in the CNS and many miRNA expression profiles are consistent with the mutual exclusion mode of function in which there is spatial or temporal exclusion of miRNAs and their targets. However, some miRNAs, such as those with cell-type specific expression, are more likely to be co-expressed with their targets. Our data provide an important resource for future functional studies of miRNAs in the CNS.

Primary ciliary dyskinesia (PCD) is a genetically heterogeneous inherited disorder arising from dysmotility of motile cilia and sperm. This is associated with a variety of ultrastructural defects of the cilia and sperm axoneme that affect movement, leading to clinical consequences on respiratory-tract mucociliary clearance and lung function, fertility, and left-right body-axis determination. We performed whole-genome SNP-based linkage analysis in seven consanguineous families with PCD and central-microtubular-pair abnormalities. This identified two loci, in two families with intermittent absence of the central-pair structure (chromosome 6p21.1, Zmax 6.7) and in five families with complete absence of the central pair (chromosome 6q22.1, Zmax 7.0). Mutations were subsequently identified in two positional candidate genes, RSPH9 on chromosome 6p21.1 and RSPH4A on chromosome 6q22.1. Haplotype analysis identified a common ancestral founder effect RSPH4A mutation present in UK-Pakistani pedigrees. Both RSPH9 and RSPH4A encode protein components of the axonemal radial spoke head. In situ hybridization of murine Rsph9 shows gene expression restricted to regions containing motile cilia. Investigation of the effect of knockdown or mutations of RSPH9 orthologs in zebrafish and Chlamydomonas indicate that radial spoke head proteins are important in maintaining normal movement in motile, “9+2”-structure cilia and flagella. This effect is rescued by reintroduction of gene expression for restoration of a normal beat pattern in zebrafish. Disturbance in function of these genes was not associated with defects in left-right axis determination in humans or zebrafish. Primary ciliary dyskinesia (PCD) is a genetically heterogeneous inherited disorder arising from dysmotility of motile cilia and sperm. This is associated with a variety of ultrastructural defects of the cilia and sperm axoneme that affect movement, leading to clinical consequences on respiratory-tract mucociliary clearance and lung function, fertility, and left-right body-axis determination. We performed whole-genome SNP-based linkage analysis in seven consanguineous families with PCD and central-microtubular-pair abnormalities. This identified two loci, in two families with intermittent absence of the central-pair structure (chromosome 6p21.1, Zmax 6.7) and in five families with complete absence of the central pair (chromosome 6q22.1, Zmax 7.0). Mutations were subsequently identified in two positional candidate genes, RSPH9 on chromosome 6p21.1 and RSPH4A on chromosome 6q22.1. Haplotype analysis identified a common ancestral founder effect RSPH4A mutation present in UK-Pakistani pedigrees. Both RSPH9 and RSPH4A encode protein components of the axonemal radial spoke head. In situ hybridization of murine Rsph9 shows gene expression restricted to regions containing motile cilia. Investigation of the effect of knockdown or mutations of RSPH9 orthologs in zebrafish and Chlamydomonas indicate that radial spoke head proteins are important in maintaining normal movement in motile, “9+2”-structure cilia and flagella. This effect is rescued by reintroduction of gene expression for restoration of a normal beat pattern in zebrafish. Disturbance in function of these genes was not associated with defects in left-right axis determination in humans or zebrafish.

Adult zebrafish are robustly social animals whereas larvae are not. We designed an assay to determine at what stage of development zebrafish begin to interact with and prefer other fish. One week old zebrafish show no social preference whereas most three week old zebrafish strongly prefer to remain in a compartment where they can view conspecifics. However, for some individuals, the presence of conspecifics drives avoidance instead of attraction. Social preference is dependent on vision and requires viewing fish of a similar age/size. In addition, over the same one to three week period larval zebrafish increasingly tend to coordinate their movements, a simple form of social interaction. Finally, social preference and coupled interactions are differentially modified by an NMDAR antagonist and acute exposure to ethanol, both of which are known to alter social behaviour in adult zebrafish.

Abstract Although manganese is an essential trace metal, little is known about its transport and homeostatic regulation. Here we have identified a cohort of patients with a novel autosomal recessive manganese transporter defect caused by mutations in SLC39A14. Excessive accumulation of manganese in these patients results in rapidly progressive childhood-onset parkinsonism–dystonia with distinctive brain magnetic resonance imaging appearances and neurodegenerative features on post-mortem examination. We show that mutations in SLC39A14 impair manganese transport in vitro and lead to manganese dyshomeostasis and altered locomotor activity in zebrafish with CRISPR-induced slc39a14 null mutations. Chelation with disodium calcium edetate lowers blood manganese levels in patients and can lead to striking clinical improvement. Our results demonstrate that SLC39A14 functions as a pivotal manganese transporter in vertebrates.