The National Institutes of Health's Mammalian Gene Collection (MGC) project was designed to generate and sequence a publicly accessible cDNA resource containing a complete open reading frame (ORF) for every human and mouse gene. The project initially used a random strategy to select clones from a large number of cDNA libraries from diverse tissues. Candidate clones were chosen based on 5′-EST sequences, and then fully sequenced to high accuracy and analyzed by algorithms developed for this project. Currently, more than 11,000 human and 10,000 mouse genes are represented in MGC by at least one clone with a full ORF. The random selection approach is now reaching a saturation point, and a transition to protocols targeted at the missing transcripts is now required to complete the mouse and human collections. Comparison of the sequence of the MGC clones to reference genome sequences reveals that most cDNA clones are of very high sequence quality, although it is likely that some cDNAs may carry missense variants as a consequence of experimental artifact, such as PCR, cloning, or reverse transcriptase errors. Recently, a rat cDNA component was added to the project, and ongoing frog ( Xenopus ) and zebrafish ( Danio ) cDNA projects were expanded to take advantage of the high-throughput MGC pipeline.

Targeted gene expression is a powerful approach to study the function of genes and cells in vivo. In Drosophila, the P element-mediated Gal4-UAS method has been successfully used for this purpose. However, similar methods have not been established in vertebrates. Here we report the development of a targeted gene expression methodology in zebrafish based on the Tol2 transposable element and its application to the functional study of neural circuits. First, we developed gene trap and enhancer trap constructs carrying an engineered yeast Gal4 transcription activator (Gal4FF) and transgenic reporter fish carrying the GFP or the RFP gene downstream of the Gal4 recognition sequence (UAS) and showed that the Gal4FF can activate transcription through UAS in zebrafish. Second, by using this Gal4FF-UAS system, we performed large-scale screens and generated a large collection of fish lines that expressed Gal4FF in specific tissues, cells, and organs. Finally, we developed transgenic effector fish carrying the tetanus toxin light chain (TeTxLC) gene downstream of UAS, which is known to block synaptic transmission. We crossed the Gal4FF fish with the UAS:TeTxLC fish and analyzed double transgenic embryos for defects in touch response. From this analysis, we discovered that targeted expression of TeTxLC in distinct populations of neurons in the brain and the spinal cord caused distinct abnormalities in the touch response behavior. These studies illustrate that our Gal4FF gene trap and enhancer trap methods should be an important resource for genetic analysis of neuronal functions and behavior in vertebrates.

The Tol2 element is a naturally occurring active transposable element found in vertebrate genomes. The Tol2 transposon system has been shown to be active from fish to mammals and considered to be a useful gene transfer vector in vertebrates. However, cis-sequences essential for transposition have not been characterized. Here we report the characterization of the minimal cis-sequence of the Tol2 element. We constructed Tol2 vectors containing various lengths of DNA from both the left (5') and the right (3') ends and tested their transpositional activities both by the transient excision assay using zebrafish embryos and by analyzing chromosomal transposition in the zebrafish germ lineage. We demonstrated that Tol2 vectors with 200 bp from the left end and 150 bp from the right end were capable of transposition without reducing the transpositional efficiency and found that these sequences, including the terminal inverted repeats (TIRs) and the subterminal regions, are sufficient and required for transposition. The left and right ends were not interchangeable. The Tol2 vector carrying an insert of >11 kb could transpose, but a certain length of spacer, <276 but >18 bp, between the left and right ends was necessary for excision. Furthermore, we found that a 5-bp sequence, 5'-(A/G)AGTA-3', is repeated 33 times in the essential subterminal region. Mutations in the repeat sequence at 13 different sites in the subterminal region, as well as mutations in TIRs, severely reduced the excision activity, indicating that they play important roles in transposition. The identification of the minimal cis-sequence of the Tol2 element and the construction of mini-Tol2 vectors will facilitate development of useful transposon tools in vertebrates. Also, our study established a basis for further biochemical and molecular biological studies for understanding roles of the repetitive sequence in the subterminal region in transposition.

The Tol2 element of the medaka fish Oryzias latipes belongs to the hAT family of transposons ( hobo / Ac / Tam3 ). We report here identification of a functional transposase of Tol2 that is capable of catalyzing its transposition in the germ line of zebrafish Danio rerio . A transcript produced from Tol2 encodes a putative transposase. Zebrafish fertilized eggs were coinjected with mRNA transcribed in vitro , using cDNA of the Tol2 transcript as a template and a plasmid DNA harboring a mutant Tol2 , which had a deletion in the putative transposase gene but retained necessary cis sequences. The injected fish were raised to adulthood and mated to noninjected fish, and genomic DNA of the progeny fish were analyzed by PCR and Southern hybridization. Half of F 1 fish obtained from one of eight injected fish contained the Tol2 DNA in their genomes but not the vector portion. Among these F 1 fish, Tol2 insertions at four different loci were identified, and some F 1 fish carried two or three different Tol2 insertions, indicating that the germ line of the founder fish is highly mosaic. Sequencing analyses revealed that, in all cases, Tol2 was surrounded by zebrafish genomic sequences, and an 8-bp duplication was created at the target site, indicating that Tol2 was integrated in the zebrafish genome through transposition. This study identifies an autonomous member of a DNA-based transposable element from a vertebrate genome. The Tol2 transposon system should thus be used to develop novel transgenesis and insertional mutagenesis methods in zebrafish and possibly in other fishes.

The molecular and cellular mechanisms governing cell motility and directed migration in response to the chemokine SDF-1 are largely unknown. Here, we demonstrate that zebrafish primordial germ cells whose migration is guided by SDF-1 generate bleb-like protrusions that are powered by cytoplasmic flow. Protrusions are formed at sites of higher levels of free calcium where activation of myosin contraction occurs. Separation of the acto-myosin cortex from the plasma membrane at these sites is followed by a flow of cytoplasm into the forming bleb. We propose that polarized activation of the receptor CXCR4 leads to a rise in free calcium that in turn activates myosin contraction in the part of the cell responding to higher levels of the ligand SDF-1. The biased formation of new protrusions in a particular region of the cell in response to SDF-1 defines the leading edge and the direction of cell migration.