Recent studies indicate that mammals, including humans, maintain some capacity to renew cardiomyocytes throughout postnatal life. Yet, there is little or no significant cardiac muscle regeneration after an injury such as acute myocardial infarction. By contrast, zebrafish efficiently regenerate lost cardiac muscle, providing a model for understanding how natural heart regeneration may be blocked or enhanced. In the absence of lineage-tracing technology applicable to adult zebrafish, the cellular origins of newly regenerated cardiac muscle have remained unclear. Using new genetic fate-mapping approaches, here we identify a population of cardiomyocytes that become activated after resection of the ventricular apex and contribute prominently to cardiac muscle regeneration. Through the use of a transgenic reporter strain, we found that cardiomyocytes throughout the subepicardial ventricular layer trigger expression of the embryonic cardiogenesis gene gata4 within a week of trauma, before expression localizes to proliferating cardiomyocytes surrounding and within the injury site. Cre-recombinase-based lineage-tracing of cells expressing gata4 before evident regeneration, or of cells expressing the contractile gene cmlc2 before injury, each labelled most cardiac muscle in the ensuing regenerate. By optical voltage mapping of surface myocardium in whole ventricles, we found that electrical conduction is re-established between existing and regenerated cardiomyocytes between 2 and 4 weeks post-injury. After injury and prolonged fibroblast growth factor receptor inhibition to arrest cardiac regeneration and enable scar formation, experimental release of the signalling block led to gata4 expression and morphological improvement of the injured ventricular wall without loss of scar tissue. Our results indicate that electrically coupled cardiac muscle regenerates after resection injury, primarily through activation and expansion of cardiomyocyte populations. These findings have implications for promoting regeneration of the injured human heart.

Zebrafish possess a unique yet poorly understood capacity for cardiac regeneration. Here, we show that regeneration proceeds through two coordinated stages following resection of the ventricular apex. First a blastema is formed, comprised of progenitor cells that express precardiac markers, undergo differentiation, and proliferate. Second, epicardial tissue surrounding both cardiac chambers induces developmental markers and rapidly expands, creating a new epithelial cover for the exposed myocardium. A subpopulation of these epicardial cells undergoes epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), invades the wound, and provides new vasculature to regenerating muscle. During regeneration, the ligand fgf17b is induced in myocardium, while receptors fgfr2 and fgfr4 are induced in adjacent epicardial-derived cells. When fibroblast growth factors (Fgf) signaling is experimentally blocked by expression of a dominant-negative Fgf receptor, epicardial EMT and coronary neovascularization fail, prematurely arresting regeneration. Our findings reveal injury responses by myocardial and epicardial tissues that collaborate in an Fgf-dependent manner to achieve cardiac regeneration.

Zebrafish heart regeneration occurs through the activation of cardiomyocyte proliferation in areas of trauma. Here, we show that within 3 hr of ventricular injury, the entire endocardium undergoes morphological changes and induces expression of the retinoic acid (RA)-synthesizing enzyme raldh2. By one day posttrauma, raldh2 expression becomes localized to endocardial cells at the injury site, an area that is supplemented with raldh2-expressing epicardial cells as cardiogenesis begins. Induced transgenic inhibition of RA receptors or expression of an RA-degrading enzyme blocked regenerative cardiomyocyte proliferation. Injured hearts of the ancient fish Polypterus senegalus also induced and maintained robust endocardial and epicardial raldh2 expression coincident with cardiomyocyte proliferation, whereas poorly regenerative infarcted murine hearts did not. Our findings reveal that the endocardium is a dynamic, injury-responsive source of RA in zebrafish, and indicate key roles for endocardial and epicardial cells in targeting RA synthesis to damaged heart tissue and promoting cardiomyocyte proliferation.

Natural models of heart regeneration in lower vertebrates such as zebrafish are based on invasive surgeries causing mechanical injuries that are limited in size. Here, we created a genetic cell ablation model in zebrafish that facilitates inducible destruction of a high percentage of cardiomyocytes. Cell-specific depletion of over 60% of the ventricular myocardium triggered signs of cardiac failure that were not observed after partial ventricular resection, including reduced animal exercise tolerance and sudden death in the setting of stressors. Massive myocardial loss activated robust cellular and molecular responses by endocardial, immune, epicardial and vascular cells. Destroyed cardiomyocytes fully regenerated within several days, restoring cardiac anatomy, physiology and performance. Regenerated muscle originated from spared cardiomyocytes that acquired ultrastructural and electrophysiological characteristics of de-differentiation and underwent vigorous proliferation. Our study indicates that genetic depletion of cardiomyocytes, even at levels so extreme as to elicit signs of cardiac failure, can be reversed by natural regenerative capacity in lower vertebrates such as zebrafish.

Recent lineage-tracing studies have produced conflicting results about whether the epicardium is a source of cardiac muscle cells during heart development. Here, we examined the developmental potential of epicardial tissue in zebrafish during both embryonic development and injury-induced heart regeneration. We found that upstream sequences of the transcription factor gene tcf21 activated robust, epicardium-specific expression throughout development and regeneration. Cre recombinase-based, genetic fate-mapping of larval or adult tcf21+ cells revealed contributions to perivascular cells, but not cardiomyocytes, during each form of cardiogenesis. Our findings indicate that natural epicardial fates are limited to non-myocardial cell types in zebrafish.

Congenital malformations can be manifested as combinations of phenotypes that co-occur more often than expected by chance. In many such cases, it has proved difficult to identify a genetic cause. We sought the genetic cause of cardiac, vertebral, and renal defects, among others, in unrelated patients.

ABSTRACT Motile cilia defects impair cerebrospinal fluid (CSF) flow, and can cause brain and spine disorders. To date, the development of ciliated cells, their impact on CSF flow and their function in brain and axial morphogenesis are not fully understood. Here, we have characterized motile ciliated cells within the zebrafish brain ventricles. We show that the ventricular surface undergoes significant restructuring through development, involving a transition from mono- to multiciliated cells (MCCs) driven by gmnc. MCCs are translationally polarized, co-exist with monociliated cells and generate directional flow patterns. Moreover, these ciliated cells have different developmental origins, and are genetically heterogenous with respect to expression of the Foxj1 family of ciliary master regulators. Finally, we show that cilia loss from specific brain regions or global perturbation of multiciliation does not affect overall brain or spine morphogenesis, but results in enlarged ventricles. Our findings establish that motile ciliated cells are generated by complementary and sequential transcriptional programs to support ventricular development.

Abstract Heme oxygenase function is highly conserved between vertebrates where it plays important roles in normal embryonic development and controls oxidative stress. Expression of the zebrafish heme oxygenase 1 genes are known to be responsive to oxidative stress suggesting a conserved physiological function. Here we generate a knockout allele of zebrafish hmox1a and characterize the effects of hmox1a and hmox1b loss on embryonic development. We find that loss of hmox1a or hmox1b causes developmental defects in only a minority of embryos, in contrast to Hmox1 gene deletions in mice that causes loss of most embryos. Using a tail wound inflammation assay we find a conserved role for hmox1a , but not hmox1b , in normal macrophage migration to the wound site. Together our results indicate zebrafish hmox1a has clearly a partitioned role from hmox1b that is more consistent with conserved functions of mammalian Heme oxygenase 1.

SUMMARY This study establishes the homeodomain only protein, HOPX, as a determinant controlling the molecular switch between cardiomyocyte progenitor and maturation gene programs. Time-course single-cell gene expression with genome-wide footprinting reveal that HOPX interacts with and controls core cardiac networks by regulating the activity of mutually exclusive developmental gene programs. Upstream hypertrophy and proliferation pathways compete to regulate HOPX transcription. Mitogenic signals override hypertrophic growth signals to suppress HOPX and maintain cardiomyocyte progenitor gene programs. Physiological studies show HOPX directly governs genetic control of cardiomyocyte cell stress responses, electro-mechanical coupling, proliferation, and contractility. We use human genome-wide association studies (GWAS) to show that genetic variation in the HOPX-regulome is significantly associated with complex traits affecting cardiac structure and function. Collectively, this study provides a mechanistic link situating HOPX between competing upstream pathways where HOPX acts as a molecular switch controlling gene regulatory programs underpinning metabolic, signaling, and functional maturation of cardiomyocytes.