We describe that galectin-1 (gal-1) is a receptor for the angiogenesis inhibitor anginex, and that the protein is crucial for tumor angiogenesis. gal-1 is overexpressed in endothelial cells of different human tumors. Expression knockdown in cultured endothelial cells inhibits cell proliferation and migration. The importance of gal-1 in angiogenesis is illustrated in the zebrafish model, where expression knockdown results in impaired vascular guidance and growth of dysfunctional vessels. The role of gal-1 in tumor angiogenesis is demonstrated in gal-1-null mice, in which tumor growth is markedly impaired because of insufficient tumor angiogenesis. Furthermore, tumor growth in gal-1-null mice no longer responds to antiangiogenesis treatment by anginex. Thus, gal-1 regulates tumor angiogenesis and is a target for angiostatic cancer therapy.

While the heart regenerates poorly in mammals, efficient heart regeneration occurs in zebrafish. Studies in zebrafish have resulted in a model in which preexisting cardiomyocytes dedifferentiate and reinitiate proliferation to replace the lost myocardium. To identify which processes occur in proliferating cardiomyocytes we have used a single-cell RNA-sequencing approach. We uncovered that proliferating border zone cardiomyocytes have very distinct transcriptomes compared to the nonproliferating remote cardiomyocytes and that they resemble embryonic cardiomyocytes. Moreover, these cells have reduced expression of mitochondrial genes and reduced mitochondrial activity, while glycolysis gene expression and glucose uptake are increased, indicative for metabolic reprogramming. Furthermore, we find that the metabolic reprogramming of border zone cardiomyocytes is induced by Nrg1/ErbB2 signaling and is important for their proliferation. This mechanism is conserved in murine hearts in which cardiomyocyte proliferation is induced by activating ErbB2 signaling. Together these results demonstrate that glycolysis regulates cardiomyocyte proliferation during heart regeneration.

Abstract Cardiomyocyte renewal by dedifferentiation and proliferation has fueled the field of regenerative cardiology in recent years, while the reverse process of redifferentiation remains largely unexplored. Redifferentiation is characterised by the restoration of function that is lost during dedifferentiation and is key to the healing process following injury. Previously, we showed that ERBB2-mediated heart regeneration has these two distinct phases: dedifferentiation, followed by redifferentiation. Here, using temporal RNAseq and proteomics, we survey the landscape of the dedifferentiation-redifferentiation process in the adult mouse heart. We find well characterised dedifferentiation pathways, such as reduced oxphos, increased proliferation and increased EMT-like features, largely return to normal, though elements of residual dedifferentiation remain, even after contractile function is restored. These hearts appeared rejuvenated and showed robust resistance to ischaemic injury. We find that redifferentiation is driven by negative feedback signalling, notably through LATS1/2 Hippo pathway activity. Disabling LATS1/2 in dedifferentiated cardiomyocytes augments dedifferentiation in vitro and prevents redifferentiation in vivo . Taken together, our data reveal the non-trivial nature of redifferentiation, whereby elements of dedifferentiation linger in a surprisingly beneficial manner. This cycle of dedifferentiation-redifferentiation protects against future insult, in what could become a novel prophylactic treatment against ischemic heart disease for at-risk patients.

Abstract Organ laterality refers to the Left-Right (LR) asymmetry in disposition and conformation of internal organs, established in the developing embryo. The heart is the first organ to display visible LR asymmetries as it is positioned to the left side of the midline and undergoes rightward looping morphogenesis. Cardiac looping morphogenesis is tightly controlled by a combination of heart-intrinsic and -extrinsic mechanisms. As the mechanisms that drive cardiac looping are not well understood, we performed a forward genetic screen for zebrafish mutants with defective heart looping. We describe a new loss-of-function allele for tbx5a , which displays normal leftward positioning but defective rightward looping morphogenesis. By using live two-photon confocal imaging to map cardiomyocyte behavior during cardiac looping at a single-cell level we establish that during looping, ventricular and atrial cardiomyocytes rearrange in opposite directions towards the outer curvatures of the chambers. As a consequence, the cardiac chambers twist around the atrioventricular canal resulting in torsion of the heart tube, which is compromised in tbx5a mutants. Manipulations of cardiac looping by chemical treatment and ex vivo culture establishes that the twisting of the heart tube depends on intrinsic mechanisms and is independent from tissue growth by cell addition. Furthermore, the cardiac looping defect in tbx5a mutants is rescued in tbx5a/tbx2b double mutants, indicating that it requires proper tissue patterning. Together, our results establish that cardiac looping in zebrafish involves twisting of the chambers around the AV canal, which requires correct tissue patterning by Tbx5a.

Abstract Contraction of muscle reflects its physiological state. Methods to quantify contraction are often complex, expensive and tailored to specific models or recording conditions, or require specialist knowledge for data extraction. Here we describe an automated, open-source software tool (MUSCLEMOTION) adaptable for use with standard laboratory and clinical imaging equipment that enables quantitative analysis of normal cardiac contraction, disease phenotypes and pharmacological responses. MUSCLEMOTION allowed rapid and easy measurement of contractility in (i) single cardiomyocytes from primary adult heart and human pluripotent stem cells, (ii) multicellular 2D-cardiomyocyte cultures, 3D engineered heart tissues and cardiac organoids/microtissues in vitro and (iii) intact hearts of zebrafish and humans in vivo . Good correlation was found with conventional measures of contraction in each system. Thus, using a single method for processing video recordings, we obtained reliable pharmacological data and measures of cardiac disease phenotype in experimental cell- and animal models and human echocardiograms.

Abstract Adult zebrafish are frequently described to be able to “completely” regenerate the heart. Yet, the extent to which cardiomyocytes lost to injury are replaced is unknown, since only indirect or non-quantitative evidence for cardiomyocyte proliferation exists. We established stereological methods to quantify the number of cardiomyocytes at several time-points post cryoinjury. Intriguingly, after cryoinjuries that killed about 1/3 of the ventricular cardiomyocytes, pre-injury cardiomyocyte numbers were restored already within 30 days. Yet, many hearts retained small residual scars, and a subset of cardiomyocytes bordering these fibrotic areas remained smaller, lacked differentiated sarcomeric structures, and displayed defective calcium signaling. Thus, a subset of regenerated cardiomyocytes failed to fully mature. While lineage-tracing experiments have shown that regenerating cardiomyocytes are derived from differentiated cardiomyocytes, technical limitations have previously made it impossible to test whether cardiomyocyte trans-differentiation contributes to regeneration of non-myocyte cell lineages. Using Cre responder lines that are expressed in all major cell types of the heart, we found no evidence for cardiomyocyte transdifferentiation into endothelial, epicardial, fibroblast or immune cell lineages. Overall, our results imply a refined answer to the question whether zebrafish can completely regenerate the heart: in response to cryoinjury, preinjury cardiomyocyte numbers are indeed completely regenerated, while restoration of cardiomyocyte differentiation and function, as well as resorption of scar tissue, is less robustly achieved.

Abstract In embryos from most animal species a zygotic centrosome is assembled by the centriole derived from the sperm cell and pericentriolar proteins present in the oocyte. This zygotic centrosome acts as a microtubule organizing center (MTOC) to assemble the mitotic spindle in the first and all subsequent cell divisions. As MTOC formation has been studied mainly in adult cells, very little is known about the formation of the first zygotic MTOC. Here we find that zebrafish ( Danio rerio ) embryos lacking maternal or paternal Cfap53, a centriolar satellite protein, arrest during the first cell cycle due to a failure in proper formation of the mitotic spindle. During the first cell cycle Cfap53 co-localizes with γ-tubulin and other centrosomal and centriolar satellite proteins to the very large MTOC. Furthermore, we find that γ-tubulin localization to the MTOC is impaired in the absence of Cfap53 or when the microtubule network is disrupted. Based on these results we propose a model in which maternal and paternal Cfap53 participates in the organization of the first zygotic MTOC of the embryo. Once the zygotic MTOC is formed, Cfap53 is dispensable for MTOC formation and integrity in subsequent cell divisions.

ABSTRACT Rationale The human heart loses millions of cardiomyocytes after an ischemic injury, but is unable to regenerate the lost tissue. Instead, the injured human heart is repaired by pro-fibrotic fibroblasts that form a large permanent scar. In contrast, the injured zebrafish heart regenerates efficiently without the formation of a permanent scar. While fibroblasts have been shown to be indispensable for zebrafish heart regeneration, very little is known about the mechanisms balancing the fibrotic and regenerative response. A better understanding of these mechanisms could lead to the discovery of novel therapeutic strategies to reduce fibrosis and promote heart regeneration. Objective To identify novel mechanisms that regulate the balance between cardiac fibrosis and scar-free regeneration. Methods and Results Using a genetic approach, we first show that zebrafish prrx1b loss-of-function mutants display reduced cardiomyocyte proliferation and impaired heart regeneration. Using a lineage tracing approach, we show that Prrx1b is expressed in tcf21 + epicardial-derived cells localizing around and inside the injured area. Next, we used a single cell RNA-sequencing approach on sorted tcf21 + cells isolated from injured prrx1b -/- and wild-type hearts and identified two distinct fibroblast populations. With combined bioinformatic and histological analysis we found that prrx1b -/- hearts contain an excess of pro-fibrotic fibroblasts that produce TGF-β ligands and collagens, while fewer pro-regenerative Nrg1-expressing fibroblasts are formed. Furthermore, by injecting recombinant NRG1 in prrx1b -/- fish we were able to rescue their cardiomyocyte proliferation defect. Finally, using cultured human fetal epicardial cells and siRNA mediated knock-down of PRRX1 we found that PRRX1 is required for NRG1 induction in human epicardial-derived cells. Conclusions Prrx1b in the injured heart restricts fibrosis and stimulates regeneration by directing epicardial-derived cells towards a pro-regenerative Nrg1-producing fibroblast state.

The epicardium, the outer mesothelial layer enclosing the myocardium, plays key roles in heart development and regeneration. During embryogenesis it arises from the proepicardium (PE), a cell cluster that appears in the dorsal pericardium close to the venous pole of the heart. Little is known about how the PE emerges from the pericardial mesothelium. Using the zebrafish model and a combination of genetic tools, pharmacological agents and quantitative in vivo imaging we reveal that a coordinated collective movement of the dorsal pericardium drives PE formation. We found that PE cells are apically extruded in response to actomyosin activity. Our results reveal that the coordinated action of Notch/Bmp pathways is critically needed for apical extrusion of PE cells. More generally, by comparison to cell extrusion for the elimination of unfit cells from epithelia, our results describe a unique mechanism where extruded cell viability is maintained.