The "cancerized field" concept posits that cancer-prone cells in a given tissue share an oncogenic mutation, but only discreet clones within the field initiate tumors. Most benign nevi carry oncogenic BRAF(V600E) mutations but rarely become melanoma. The zebrafish crestin gene is expressed embryonically in neural crest progenitors (NCPs) and specifically reexpressed in melanoma. Live imaging of transgenic zebrafish crestin reporters shows that within a cancerized field (BRAF(V600E)-mutant; p53-deficient), a single melanocyte reactivates the NCP state, revealing a fate change at melanoma initiation in this model. NCP transcription factors, including sox10, regulate crestin expression. Forced sox10 overexpression in melanocytes accelerated melanoma formation, which is consistent with activation of NCP genes and super-enhancers leading to melanoma. Our work highlights NCP state reemergence as a key event in melanoma initiation.

CRISPR/Cas9 technology of genome editing has greatly facilitated the targeted inactivation of genes in vitro and in vivo in a wide range of organisms. In zebrafish, it allows the rapid generation of knockout lines by simply injecting a guide RNA (gRNA) and Cas9 mRNA into one-cell stage embryos. Here, we report a simple and scalable CRISPR-based vector system for tissue-specific gene inactivation in zebrafish. As proof of principle, we used our vector with the gata1 promoter driving Cas9 expression to silence the urod gene, implicated in heme biosynthesis, specifically in the erythrocytic lineage. Urod targeting yielded red fluorescent erythrocytes in zebrafish embryos, recapitulating the phenotype observed in the yquem mutant. While F0 embryos displayed mosaic gene disruption, the phenotype appeared very penetrant in stable F1 fish. This vector system constitutes a unique tool to spatially control gene knockout and greatly broadens the scope of loss-of-function studies in zebrafish.

Transcription and metabolism both influence cell function, but dedicated transcriptional control of metabolic pathways that regulate cell fate has rarely been defined. We discovered, using a chemical suppressor screen, that inhibition of the pyrimidine biosynthesis enzyme dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) rescues erythroid differentiation in bloodless zebrafish moonshine (mon) mutant embryos defective for transcriptional intermediary factor 1 gamma (tif1γ). This rescue depends on the functional link of DHODH to mitochondrial respiration. The transcription elongation factor TIF1γ directly controls coenzyme Q (CoQ) synthesis gene expression. Upon tif1γ loss, CoQ levels are reduced, and a high succinate/α-ketoglutarate ratio leads to increased histone methylation. A CoQ analog rescues mon's bloodless phenotype. These results demonstrate that mitochondrial metabolism is a key output of a lineage transcription factor that drives cell fate decisions in the early blood lineage.

Developmental signaling pathways associated with growth factors such as TGFb are commonly dysregulated in melanoma. Here we identified a human TGFb enhancer specifically activated in melanoma cells treated with TGFB1 ligand. We generated stable transgenic zebrafish with this TGFb Induced Enhancer driving green fluorescent protein ( TIE:EGFP ). TIE:EGFP was not expressed in normal melanocytes or early melanomas but was expressed in spatially distinct regions of advanced melanomas. Single-cell RNA-sequencing revealed that TIE:EGFP + melanoma cells down-regulated interferon response while up-regulating a novel set of chronic TGFb target genes. ChIP-sequencing demonstrated that AP-1 factor binding is required for activation of chronic TGFb response. Overexpression of SATB2 , a chromatin remodeler associated with tumor spreading, showed activation of TGFb signaling in early melanomas. Confocal imaging and flow cytometric analysis showed that macrophages localize to TIE:EGFP + regions and preferentially phagocytose TIE:EGFP + melanoma cells compared to TIE:EGFP - melanoma cells. This work identifies a TGFb induced immune response and demonstrates the need for the development of chronic TGFb biomarkers to predict patient response to TGFb inhibitors.

Abstract The hematopoietic niche is a supportive microenvironment comprised of distinct cell types, including specialized vascular endothelial cells that directly interact with hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The molecular factors that specify niche endothelial cells and orchestrate HSPC homeostasis remain largely unknown. Using multi-dimensional gene expression and chromatin accessibility analyses, we define a conserved gene expression signature and cis -regulatory landscape unique to sinusoidal endothelial cells in the HSPC niche. Using enhancer mutagenesis and transcription factor overexpression, we elucidate a transcriptional code involving members of the Ets, Sox and Nuclear Hormone Receptor families that is sufficient to induce ectopic niche endothelial cells that associate with mesenchymal stromal cells and support the recruitment, maintenance and division of HSPCs in vivo . These studies set forth an approach for generating synthetic HSPC niches, in vitro or in vivo , and for effective therapies to modulate the endogenous niche.

Abstract Hematopoietic stem cells (HSCs) must ensure adequate blood cell production following distinct external stressors. A comprehensive understanding of in vivo heterogeneity and specificity of HSC responses to external stimuli is currently lacking. We performed single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) on functionally validated mouse HSCs and LSK (Lin-, c-Kit+, Sca1+) progenitors after in vivo perturbation of niche signals interferon, granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF), and prostaglandin. We identified six HSC states that are characterized by enrichment but not exclusive expression of marker genes. Niche perturbations induce novel and rapid transitions between these HSC states. Differential expression analysis within each state revealed HSC- and LSK-specific molecular signatures for each perturbation. Chromatin analysis of unperturbed HSCs and LSKs by scATAC-Seq revealed HSC-specific, cell intrinsic predispositions to niche signals. We compiled a comprehensive resource of HSC- and progenitor-specific chromatin and transcriptional features that represent important determinants of regenerative potential during stress hematopoiesis.

Recent genomic and scRNA-seq analyses of melanoma identified common transcriptional states correlating with invasion or drug resistance, but failed to find recurrent drivers of metastasis. To test whether transcriptional adaptation can drive melanoma progression, we made use of a zebrafish mitfa:BRAFV600E;tp53-/- model, in which malignant progression is characterized by minimal genetic evolution. We undertook an overexpression-screen of 80 epigenetic/transcriptional regulators and found neural crest-mesenchyme developmental regulator SATB2 to accelerate aggressive melanoma development. Its overexpression induces invadopodia formation and invasion in zebrafish tumors and human melanoma cell lines. SATB2 binds and activates neural crest-regulators, including pdgfab and snai2. The transcriptional program induced by SATB2 overlaps with known MITF low AXL hlgh and AQP1 + NGFR1 high drug resistant states and functionally drives enhanced tumor propagation and resistance to Vemurafenib in vivo. Here we show that melanoma transcriptional rewiring by SATB2 to a neural crest mesenchyme-like program can drive invasion and drug resistance in endogenous tumors.

Summary Stem cell transplantation presents a potentially curative strategy for genetic disorders of skeletal muscle, but this approach is limited due to the deleterious effects of cell expansion in vitro and consequent poor engraftment efficiency. In an effort to overcome this limitation, we sought to identify molecular signals that enhance the myogenic activity of cultured muscle progenitors. Here, we report the development and application of a cross-species small molecule screening platform employing zebrafish and mouse, which enables rapid, direct evaluation of the effects of chemical compounds on the engraftment of transplanted muscle precursor cells. Using this system, we screened a library of bioactive lipids to identify those that could increase myogenic engraftment in vivo in zebrafish and mice. Two lipids, lysophosphatidic acid (LPA) and niflumic acid (NFA), are linked to activation of intracellular calcium ion flux, which showed conserved, dose-dependent and synergistic effects in promoting muscle engraftment across these vertebrate species.

Epoxyeicosatrienoic acids (EETs) are endogenous lipid signaling molecules with cardioprotective and vasodilatory actions. We recently showed that exogenous addition of 11,12-EET enhances hematopoietic induction and engraftment in mice and zebrafish. EETs are known to signal via a G-protein coupled receptor(s), and significant research supports the existence of a specific high-affinity receptor. Identification of a hematopoietic specific EET receptor would enable genetic interrogation of the EET signaling pathway and perhaps clinical use of this molecule. We developed a bioinformatic approach to identify the EET receptor based on the expression of GPCRs in cell lines with differential responses to EETs. We found 10 candidate EET receptors that are commonly expressed in three EET-responsive human cell lines, but not expressed in an EET-unresponsive line. Of these candidates, only GPR132 showed EET-responsiveness in vitro using a luminescence-based assay for β-arrestin recruitment. Knockdown of zebrafish gpr132b prevented EET-induced hematopoiesis, and marrow from GPR132 knockout mice showed decreased long-term engraftment capability. In contrast to the putative high-affinity EET receptor, GPR132 is reported to have affinity for additional fatty acids in vitro, and we found that these same fatty acids enhance hematopoietic stem cell specification in the zebrafish. We conducted structure-activity relationship analyses using both in vitro and in vivo assays on diverse medium chain fatty acids. Certain oxygenated, unsaturated free fatty acids showed high activation of GPR132, while unoxygenated or saturated fatty acids had lower activity. Absence of the carboxylic acid moiety prevented activity, suggesting that this moiety is required for receptor activation. GPR132 responds to a select panel of polyunsaturated, oxygenated fatty acids to enhance both embryonic and adult hematopoiesis.