Abstract Genome-wide chemical mutagenesis screens in the zebrafish(Danio rerio) have led to the identification of novel genes affecting vertebrate erythropoiesis. In determining if this approach could also be used to clarify the molecular genetics of myelopoiesis, it was found that the developmental hierarchy of myeloid precursors in the zebrafish kidney is similar to that in human bone marrow. Zebrafish neutrophils resembled human neutrophils, possessing segmented nuclei and myeloperoxidase-positive cytoplasmic granules. The zebrafish homologue of the human myeloperoxidase (MPO) gene, which is specific to cells of the neutrophil lineage, was cloned and used to synthesize antisense RNA probes for in situ hybridization analyses of zebrafish embryos. Granulocytic cells expressing zebrafishmpo were first evident at 18 hours after fertilization (hpf) in the posterior intermediate cell mass (ICM) and on the anterior yolk sac by 20 hpf. By 24 hpf, mpo-expressing cells were observed along the ICM and within the developing vascular system. Thus, the mpo gene should provide a useful molecular probe for identifying zebrafish mutants with defects in granulopoiesis. The expression of zebrafish homologues was also examined in 2 other mammalian hematopoietic genes, Pu.1, which appears to initiate a commitment step in normal mammalian myeloid development, andL-Plastin, a gene expressed by human monocytes and macrophages. The results demonstrate a high level of conservation of the spatio-temporal expression patterns of these genes between zebrafish and mammals. The morphologic and molecular genetic evidence presented here supports the zebrafish as an informative model system for the study of normal and aberrant human myelopoiesis.

Abstract

 The zebrafish is a powerful model system for investigating embryonic vertebrate hematopoiesis, allowing for the critical in vivo analysis of cell lineage determination. In this study, we identify zebrafish myeloerythroid progenitor cells (MPCs) that are likely to represent the functional equivalent of mammalian common myeloid progenitors. Utilizing transgenic pu.1-GFP fish, real-time MPC differentiation was correlated with dynamic changes in cell motility, morphology, and gene expression. Unlike mammalian hematopoiesis, embryonic zebrafish myelopoiesis and erythropoiesis occur in anatomically separate locations. Gene knockdown experiments and transplantation assays demonstrated the reciprocal negative regulation of pu.1 and gata1 and their non-cell-autonomous regulation that determines myeloid versus erythroid MPC fate in the distinct blood-forming regions. Furthermore, forced expression of pu.1 in the bloodless mutant cloche resulted in myelopoietic rescue, providing intriguing evidence that this gene can function in the absence of some stem cell genes, such as scl, in governing myelopoiesis.

Proper neural crest development and migration is critical during embryonic development, but the molecular mechanisms regulating this process remain incompletely understood. Here, we show that the protein kinase Erk, which plays a central role in a number of key developmental processes in vertebrates, is regulated in the developing neural crest by p21-activated protein kinase 1 (Pak1). Furthermore, we show that activated Erk signals by phosphorylating the transcription factor Gata6 on a conserved serine residue to promote neural crest migration and proper formation of craniofacial structures, pigment cells, and the outflow tract of the heart. Our data suggest an essential role for Pak1 as an Erk activator, and Gata6 as an Erk target, during neural crest development.

Malignant melanoma is characterized by mutations in a number of driver genes, most notably BRAF and NRAS. Recently, genomic analyses revealed that 4-9% of sun-exposed melanoma bear activating mutations in RAC1, which encodes a small GTPase that is known to play key roles in cell proliferation, survival, and migration. The RAC1 protein activates several effector pathways, including Group A p21-activated kinases (PAKs), phosphoinositol-3-kinases (PI3Ks), in particular the beta isoform, and the serum-response factor/myocardin-related transcription factor (SRF/MRTF). Having previously shown that inhibition of Group A PAKs impedes oncogenic signaling from RAC1P29S, we here extend this analysis to examine the roles of PI3Ks and SRF/MITF in melanocytes and/or in a zebrafish model. We demonstrate that a selective Group A PAK inhibitor (Frax-1036) and certain PI3Ks inhibitors (BKM120, TGX221, GSK2636771) impede the growth of melanoma cells driven by mutant RAC1 but not mutant BRAF, however other PI3K inhibitors, including PI3Kα-selective inhibitors are less effective. Similar results were seen in vivo, using embryonic zebrafish development as a readout, but now including an SRF/MRTF inhibitor (CCG-203971). These results suggest that targeting Group A PAKs and/or SRF/MRTF represent promising approach to suppress RAC1 signaling in malignant melanoma.