Xenografts of the hematopoietic system are extremely useful as disease models and for translational research. Zebrafish xenografts have been widely used to monitor blood cancer cell dissemination and homing due to the optical clarity of embryos and larvae, which allow unrestricted in vivo visualization of migratory events. To broaden the scope of xenotransplantation studies in zebrafish, we have developed a technique that transiently generates hematopoietic tissue chimeras by transplanting murine bone marrow cells into zebrafish blastulae. This procedure leads to mammalian cell integration into the fish developmental hematopoietic program. Monitoring zebrafish chimeras at different time points post fertilization using in vivo time-lapse and confocal imaging showed murine cell co-localization with developing primitive and definitive hematopoietic tissues, intravasation into fish circulation, and dynamic hematopoietic cell-vascular endothelial and hematopoietic cell-niche interactions. Immunohistochemistry assays performed in chimeric animals showed that, after engraftment, murine cells expressed antigens related to i) hematopoietic stem and progenitor cells, ii) active cell proliferation, and iii) myeloid cell lineages. Lastly, xenografted zebrafish larvae infected with Klebsiella pneumoniae showed murine immune cells trafficking to bacterial foci and interacting with bacterial cells. Overall, these results show that mammalian bone marrow cells xenografted in zebrafish integrate into the host hematopoietic system revealing highly conserved molecular mechanisms of hematopoiesis between zebrafish and mammals. In addition, this procedure introduces a useful and simple method that improves and broadens the scope of hematopoietic tissue xenotransplantation studies in zebrafish.

Genomics offered the promise of transforming antibiotic discovery by revealing many new essential genes as good targets, but the results fell short of the promise. It is becoming clear that a major limitation was that essential genes for a bacterial species were often defined based on a single or limited number of strains grown under a single or limited number of in vitro laboratory conditions. In fact, the essentiality of a gene can depend on both genetic background and growth condition. We thus developed a strategy for more rigorously defining the core essential genome of a bacterial species by studying many pathogen strains and growth conditions. We assessed how many strains must be examined to converge on a set of core essential genes for a species. We used transposon insertion sequencing (Tn-Seq) to define essential genes in nine strains of Pseudomonas aeruginosa on five different media and developed a novel statistical model, FiTnEss, to classify genes as essential versus non-essential across all strain-media combinations. We defined a set of 321 core essential genes, representing 6.6% of the genome. We determined that analysis of 4 strains was typically sufficient in P. aeruginosa to converge on a set of core essential genes likely to be essential across the species across a wide range of conditions relevant to in vivo infection, and thus to represent attractive targets for novel drug discovery.

SUMMARY Bacterial infection involves a complex interaction between the pathogen and host where the outcome of infection is not solely determined by pathogen eradication. To identify small molecules that promote host survival by altering the host-pathogen dynamic, we conducted an in vivo chemical screen using zebrafish embryos and found that treatment with 3-hydroxy-kynurenine protects from lethal gram-negative bacterial infection. 3-hydroxy-kynurenine, a metabolite produced through host tryptophan metabolism, has no direct antibacterial activity but enhances host survival by restricting bacterial expansion in macrophages by targeting kainate-sensitive glutamate receptors. These findings reveal new mechanisms by which tryptophan metabolism and kainate-sensitive glutamate receptors function and interact to modulate immunity, with significant implications for the coordination between the immune and nervous systems in pathological conditions.