In stability analysis of nonlinear systems, the character of the eigenvalues of the Jacobian matrix (i.e., whether the real part is positive, negative, or zero) is needed, while the actual value of the eigenvalue is not required. We present a simple algebraic procedure, based on the Routh-Hurwitz criterion, for determining the character of the eigenvalues without the need for evaluating the eigenvalues explicitly. This procedure is illustrated for a system of nonlinear ordinary differential equations we have studied previously. This procedure is simple enough to be used in computer code, and, more importantly, makes the analysis possible even for those cases where the secular equation cannot be solved.

Transgenic zebrafish carrying the human oncogene BRAF(V600E), the most common mutation in melanoma patients, provide a convenient model for melanoma. Two papers from Leonard Zon and colleagues demonstrate the potential of this system in the study of cancer genetics and in drug development. Ceol et al. screen for genes that cooperate with mutated BRAF, and identify SETDB1 as capable of accelerating melanoma formation in fish. The gene is found in a region that is frequently amplified in human melanomas, and its gene product, SETDB1, is a histone methylating enzyme that is often overexpressed in those melanomas. This work establishes SETDB1 as an important oncogene. White et al. find expression of a gene signature in melanoma-susceptible zebrafish embryos that is indicative of disrupted differentiation of neural crest progenitors. A chemical screen identifies leflunomide, an immunomodulatory drug used to treat rheumatoid arthritis, as an inhibitor of neural crest stem cells. Leflunomide has antimelanoma activity in human melanoma xenografts and might prove useful as an anticancer drug, particularly in combination with BRAF inhibitors. In a zebrafish model of melanoma driven by activated BRAF, this study finds expression of a gene signature indicative of disrupted terminal differentiation of neural crest progenitors. A chemical screen led to the identification of leflunomide as an inhibitor of neural crest stem cells. Leflunomide inhibits dihydroorotate dehydrogenase and thereby transcriptional elongation, including genes involved in neural crest development and melanoma growth. Leflunomide has anti-melanoma activity in the zebrafish model and human melanoma xenografts, and might prove useful as an anticancer drug. Melanoma is a tumour of transformed melanocytes, which are originally derived from the embryonic neural crest. It is unknown to what extent the programs that regulate neural crest development interact with mutations in the BRAF oncogene, which is the most commonly mutated gene in human melanoma1. We have used zebrafish embryos to identify the initiating transcriptional events that occur on activation of human BRAF(V600E) (which encodes an amino acid substitution mutant of BRAF) in the neural crest lineage. Zebrafish embryos that are transgenic for mitfa:BRAF(V600E) and lack p53 (also known as tp53) have a gene signature that is enriched for markers of multipotent neural crest cells, and neural crest progenitors from these embryos fail to terminally differentiate. To determine whether these early transcriptional events are important for melanoma pathogenesis, we performed a chemical genetic screen to identify small-molecule suppressors of the neural crest lineage, which were then tested for their effects on melanoma. One class of compound, inhibitors of dihydroorotate dehydrogenase (DHODH), for example leflunomide, led to an almost complete abrogation of neural crest development in zebrafish and to a reduction in the self-renewal of mammalian neural crest stem cells. Leflunomide exerts these effects by inhibiting the transcriptional elongation of genes that are required for neural crest development and melanoma growth. When used alone or in combination with a specific inhibitor of the BRAF(V600E) oncogene, DHODH inhibition led to a marked decrease in melanoma growth both in vitro and in mouse xenograft studies. Taken together, these studies highlight developmental pathways in neural crest cells that have a direct bearing on melanoma formation.

Molecular genetics approaches in zebrafish research are hampered by the lack of a ubiquitous transgene driver element that is active at all developmental stages. Here, we report the isolation and characterization of the zebrafish ubiquitin (ubi) promoter, which drives constitutive transgene expression during all developmental stages and analyzed adult organs. Notably, ubi expresses in all blood cell lineages, and we demonstrate the application of ubi-driven fluorophore transgenics in hematopoietic transplantation experiments to assess true multilineage potential of engrafted cells. We further generated transgenic zebrafish that express ubiquitous 4-hydroxytamoxifen-controlled Cre recombinase activity from a ubi:creERt2 transgene, as well as ubi:loxP-EGFP-loxP-mCherry (ubi:Switch) transgenics and show their use as a constitutive fluorescent lineage tracing reagent. The ubi promoter and the transgenic lines presented here thus provide a broad resource and important advancement for transgenic applications in zebrafish.

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.

ABSTRACT Small nucleotide variants in non-coding regions of the genome can alter transcriptional regulation, leading to changes in gene expression which can activate oncogenic gene regulatory networks. Melanoma is heavily burdened by non-coding variants, representing over 99% of total genetic variation, including the well-characterized TERT promoter mutation. However, the compendium of regulatory non-coding variants is likely still functionally under-characterized. We developed a pipeline to identify hotspots, i.e. recurrently mutated regions, in melanoma containing putatively functional non-coding somatic variants that are located within predicted melanoma-specific regulatory regions. We identified hundreds of statistically significant hotspots, including the hotspot containing the TERT promoter variants, and focused in on a hotspot in the promoter of CDC20. We found that variants in the promoter of CDC20, which putatively disrupt an ETS motif, lead to lower transcriptional activity in reporter assays. Using CRISPR/Cas9, we generated an indel in the CDC20 promoter in a human A375 melanoma cell line and observed decreased expression of CDC20 , changes in migration capabilities, and an altered transcriptional state previously associated with neural crest transcriptional programs and melanoma initiation. Overall, our analysis prioritized several recurrent functional non-coding variants that, through downregulation of CDC20 , led to perturbation of key melanoma phenotypes.

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.

The re-emergence of a neural crest transcriptional program, including Sox10 upregulation, is a key step in melanoma initiation in humans and zebrafish. We hypothesize that epigenetic regulation of sox10 modulates melanoma initiation. ATAC-Seq analysis of zebrafish melanoma tumors identifies recurrently open chromatin domains near sox10. Reporter constructs for each putative sox10 enhancer were examined in zebrafish embryos for neural crest activity and in stable transgenic lines for melanoma activity. One element, peak5 (23 kilobases upstream of sox10), drives EGFP reporter expression in a subset of neural crest cells, Kolmer-Agduhr neurons, and early melanoma patches and tumors with high specificity. A ~200 bp region, conserved across the Cyprinidae family (fish), is required for peak5 activity in neural crest and melanoma, and contains dimeric SoxE binding sites essential for neural crest activity. Our work identifies a novel melanoma transcriptional enhancer, expanding our knowledge of epigenetic regulation of neural crest identity in melanoma.

ABSTRACT SOX9 and SOX10 are two highly similar transcription factors with nearly 100% identity at their DNA binding domains. Both transcription factors play key but distinct roles in neural crest cell fate specification and melanoma formation. High expression of SOX9 and SOX10 appear to be mutually exclusive, with high SOX10 characteristic of proliferative melanoma and high SOX9 characteristic of metastatic melanoma. To further elucidate the role of SOX9 in melanoma, we over-express SOX9 in a zebrafish melanoma model and a human melanoma cell line. Analysis of tumor onset, binding dynamics, and transcriptional identities supports the notion of SOX9 driving a more mesenchymal signature, which is important for metastasis. Additionally, we identified a potential mechanism of SOX9 down-regulation via analysis of a functional and recurrent non-coding variant in human melanoma. Altogether, our results present a dosage-dependent role of SOX9 and, likely, SOX10 in the melanoma lifespan.