The zebrafish is a useful model for understanding normal and cancer stem cells, but analysis has been limited to embryogenesis due to the opacity of the adult fish. To address this, we have created a transparent adult zebrafish in which we transplanted either hematopoietic stem/progenitor cells or tumor cells. In a hematopoiesis radiation recovery assay, transplantation of GFP-labeled marrow cells allowed for striking in vivo visual assessment of engraftment from 2 hr–5 weeks posttransplant. Using FACS analysis, both transparent and wild-type fish had equal engraftment, but this could only be visualized in the transparent recipient. In a tumor engraftment model, transplantation of RAS-melanoma cells allowed for visualization of tumor engraftment, proliferation, and distant metastases in as little as 5 days, which is not seen in wild-type recipients until 3 to 4 weeks. This transparent adult zebrafish serves as the ideal combination of both sensitivity and resolution for in vivo stem cell analyses.

DNA methylation at the 5 position of cytosine (5-mC) is a key epigenetic mark that is critical for various biological and pathological processes. 5-mC can be converted to 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC) by the ten-eleven translocation (TET) family of DNA hydroxylases. Here, we report that “loss of 5-hmC” is an epigenetic hallmark of melanoma, with diagnostic and prognostic implications. Genome-wide mapping of 5-hmC reveals loss of the 5-hmC landscape in the melanoma epigenome. We show that downregulation of isocitrate dehydrogenase 2 (IDH2) and TET family enzymes is likely one of the mechanisms underlying 5-hmC loss in melanoma. Rebuilding the 5-hmC landscape in melanoma cells by reintroducing active TET2 or IDH2 suppresses melanoma growth and increases tumor-free survival in animal models. Thus, our study reveals a critical function of 5-hmC in melanoma development and directly links the IDH and TET activity-dependent epigenetic pathway to 5-hmC-mediated suppression of melanoma progression, suggesting a new strategy for epigenetic cancer therapy.

The most common mutation in human melanoma, BRAF(V600E), activates the serine/threonine kinase BRAF and causes excessive activity in the mitogen-activated protein kinase pathway. BRAF(V600E) mutations are also present in benign melanocytic naevi, highlighting the importance of additional genetic alterations in the genesis of malignant tumours. Such changes include recurrent copy number variations that result in the amplification of oncogenes. For certain amplifications, the large number of genes in the interval has precluded an understanding of the cooperating oncogenic events. Here we have used a zebrafish melanoma model to test genes in a recurrently amplified region of chromosome 1 for the ability to cooperate with BRAF(V600E) and accelerate melanoma. SETDB1, an enzyme that methylates histone H3 on lysine 9 (H3K9), was found to accelerate melanoma formation significantly in zebrafish. Chromatin immunoprecipitation coupled with massively parallel DNA sequencing and gene expression analyses uncovered genes, including HOX genes, that are transcriptionally dysregulated in response to increased levels of SETDB1. Our studies establish SETDB1 as an oncogene in melanoma and underscore the role of chromatin factors in regulating tumorigenesis.

During vertebrate embryogenesis, hematopoietic stem cells (HSCs) arise in the aorta-gonads-mesonephros (AGM) region. We report here that blood flow is a conserved regulator of HSC formation. In zebrafish, chemical blood flow modulators regulated HSC development, and silent heart (sih) embryos, lacking a heartbeat and blood circulation, exhibited severely reduced HSCs. Flow-modifying compounds primarily affected HSC induction after the onset of heartbeat; however, nitric oxide (NO) donors regulated HSC number even when treatment occurred before the initiation of circulation, and rescued HSCs in sih mutants. Morpholino knockdown of nos1 (nnos/enos) blocked HSC development, and its requirement was shown to be cell autonomous. In the mouse, Nos3 (eNos) was expressed in HSCs in the AGM. Intrauterine Nos inhibition or embryonic Nos3 deficiency resulted in a reduction of hematopoietic clusters and transplantable murine HSCs. This work links blood flow to AGM hematopoiesis and identifies NO as a conserved downstream regulator of HSC development.

ABSTRACT Dysregulated cellular metabolism is a hallmark of cancer. As yet, few druggable oncoproteins directly responsible for this hallmark have been identified. Increased fatty acid acquisition allows cancer cells to meet their membrane biogenesis, ATP, and signaling needs. Excess fatty acids suppress growth factor signaling and cause oxidative stress in non-transformed cells, but surprisingly not in cancer cells. Molecules underlying this cancer adaptation may provide new drug targets. Here, we identify Diacylglycerol O-acyltransferase 1 (DGAT1), an enzyme integral to triacylglyceride synthesis and lipid droplet formation, as a frequently up-regulated oncoprotein allowing cancer cells to tolerate excess fatty acids. DGAT1 over-expression alone induced melanoma in zebrafish melanocytes, and co-operated with oncogenic BRAF or NRAS for more rapid melanoma formation. Mechanistically, DGAT1 stimulated melanoma cell growth through sustaining mTOR kinase–S6 kinase signaling and suppressed cell death by tempering fatty acid oxidation, thereby preventing accumulation of reactive oxygen species including lipid peroxides. SIGNIFICANCE We show that DGAT1 is a bona fide oncoprotein capable of inducing melanoma formation and co-operating with other known drivers of melanoma. DGAT1 facilitates enhanced fatty acid acquisition by melanoma cells through suppressing lipototoxicity. DGAT1 is also critical for maintaining S6K activity required for melanoma cell growth.

Abstract Human melanomas are commonly driven by activating mutations in BRAF , which promote melanocyte proliferation through constitutive stimulation of the MAPK pathway. However, oncogenic BRAF alone is insufficient to promote melanoma; instead, its expression merely induces a transient burst of proliferation that ultimately ceases with the development of benign nevi ( i . e . moles) comprised of growth-arrested melanocytes. The tumor suppressive mechanisms that induce this melanocytic growth arrest remain poorly understood. Recent modeling studies have suggested that the growth arrest of nevus melanocytes is not solely due to oncogene activation in individual cells, but rather due to cells sensing and responding to their collective overgrowth, similar to what occurs in normal tissues. This cell growth arrest is reminiscent of the arrest induced by activation of the Hippo tumor suppressor pathway, which is an evolutionarily conserved pathway known to regulate organ size. Herein, we demonstrate that oncogenic BRAF signaling activates the Hippo pathway in vitro , which leads to inhibition of the pro-growth transcriptional co-activators YAP and TAZ, ultimately promoting the growth arrest of melanocytes. We also provide evidence that the Hippo tumor suppressor pathway is activated in growth-arrested nevus melanocytes in vivo , both from single-cell sequencing of mouse models of nevogenesis and human tissue samples. Mechanistically, we observe that oncogenic BRAF promotes both ERK-dependent alterations in the actin cytoskeleton and whole-genome-doubling events, and that these two effects independently promote Hippo pathway activation. Lastly, we demonstrate that abrogation of the Hippo pathway, via melanocyte-specific deletion of the Hippo kinases Lats1/2 , enables oncogenic BRAF -expressing melanocytes to bypass nevus formation, thus leading to the rapid onset of melanoma with 100% penetrance. This model is clinically relevant, as co-heterozygous loss of LATS1/2 is observed in ∼15% of human melanomas. Collectively, our data reveal that the Hippo pathway enforces the stable growth arrest of nevus melanocytes and therefore represents a critical and previously unappreciated barrier to melanoma development.

Abstract Melanomas and other solid tumors commonly have increased ploidy, with near-tetraploid karyotypes being most frequently observed. Such karyotypes have been shown to arise through whole-genome doubling events that occur during early stages of tumor progression. The generation of tetraploid cells via whole-genome doubling is proposed to allow nascent tumor cells the ability to sample various pro-tumorigenic genomic configurations while avoiding the negative consequences that chromosomal gains or losses have in diploid cells. Whereas a high prevalence of whole-genome doubling events has been established, the means by which whole-genome doubling arises is unclear. Here, we find that BRAF V600E , the most common mutation in melanomas, can induce whole-genome doubling via cytokinesis failure in vitro and in a zebrafish melanoma model. Mechanistically, BRAF V600E causes decreased activation and localization of RhoA, a critical cytokinesis regulator. BRAF V600E activity during G1/S phases of the cell cycle is required to suppress cytokinesis. During G1/S, BRAF V600E activity causes inappropriate centriole amplification, which is linked in part to inhibition of RhoA and suppression of cytokinesis. Together these data suggest that common abnormalities of melanomas linked to tumorigenesis – amplified centrosomes and whole-genome doubling events – can be induced by oncogenic BRAF and other mutations that increase RAS/MAPK pathway activity. Statement of Significance Whole-genome doubling is prevalent in many types of solid tumors and important in shaping tumor genomes, yet the causes of whole-genome doubling are not well understood. Here, we discover that oncogenic BRAF V600E can induce whole-genome doubling through suppression of cytokinesis, and BRAF V600E -induced whole-genome doubling can occur in melanocytes and be present in nascent melanoma cells upon tumorigenesis.

Abstract Tissue-resident stem cells are present in many adult organs, where they are important for organ homeostasis and repair in response to injury. However, the signals that activate these cells and the mechanisms governing how these cells self-renew or differentiate are highly context-dependent and incompletely understood, particularly in non-hematopoietic tissues. In the skin, melanocyte stem cells (McSCs) are responsible for replenishing mature pigmented melanocytes. In mammals, these cells reside in the hair follicle bulge and bulb niches where they are activated during homeostatic hair follicle turnover and following melanocyte destruction, as occurs in vitiligo and other skin hypopigmentation disorders. Recently, we identified adult McSCs in the zebrafish. To elucidate mechanisms governing McSC self-renewal and differentiation we analyzed individual transcriptomes from thousands of melanocyte lineage cells during the regeneration process. We identified transcriptional signatures for McSCs, deciphered transcriptional changes and intermediate cell states during regeneration, and analyzed cell-cell signaling changes to discover mechanisms governing melanocyte regeneration. We identified KIT signaling via the RAS/MAPK pathway as a regulator of McSC direct differentiation. Analysis of the scRNAseq dataset also revealed a population of mitfa / aox5 co-expressing cells that divides following melanocyte destruction, likely corresponding to cells that undergo self-renewal. Our findings show how activation of different subpopulations of mitfa -positive cells underlies self-renewal and differentiation to properly reconstitute the melanocyte pigmentary system following injury.

Preventing terminal differentiation is important in the development and progression of many cancers including melanoma. Recent identification of GDF6 as a novel melanoma oncogene showed GDF6-activated BMP signaling suppresses differentiation of melanoma cells. Previous studies have identified roles for GDF6 orthologs during neural crest development, but have not identified direct regulation of melanocyte development. Here, we investigate gdf6a, a zebrafish ortholog of human GDF6, during the development of melanocytes. We establish that the loss of gdf6a or inhibition of BMP signaling during neural crest development disrupts normal pigment cell development, leading to shifts in pigment cell fates. This shift occurs as pigment cells arise from the neural crest and depends an MITF ortholog, mitfa, a key regulator of melanocyte development. Together, these results indicate that the oncogenic role ligand-dependent BMP signaling plays in suppressing differentiation in melanoma is a reiteration of its physiological roles during melanocyte development.

Abstract Solid tumors, especially those with aberrant MYCN activation, harbor an immunosuppressive microenvironment to fuel malignant growth and trigger treatment resistance 1,2 , yet the underlying mechanisms are elusive and effective strategies to tackle this challenge are lacking. Here we demonstrated the crucial role of T regulatory (T reg ) cells in MYCN-mediated immune repression and tumor aggression using high-risk neuroblastoma (NB) as a model system. Human MYCN-activated NB attracts CD4 + T reg cells, which are also found enriched in MYCN-high primary patient samples. Zebrafish MYCN -overexpressing neural crests recruit Cd4 + cells before tumor formation and induce an immunosuppressive microenvironment, thereby promoting tumor onset and progression. Strikingly, disruption of T reg cells through depletion of forkhead box protein 3a restores anti-tumor immunity and impairs NB development. Together, our studies establish T reg cells as the key driver of MYCN-mediated immunosuppression and tumor aggressiveness, providing mechanistic insights and therapeutic implications.