LIVE IMAGING OF BONE REGENERATION IN ZEBRAFISH

点击翻译按钮获取中文摘要

Abstract     Mammalian  bone  has  the  capacity  throughout  life  to  regenerate  in  response  to  fracture  injury.  However,  there  is  a  ceiling  for  this  regenerative  potential,  with  hurdles  to  regeneration  after  a  major  trauma  like  limb  amputation. This has a significant socioeconomic impact, as it is estimated that at least one in two Americans  over  age  50  is  expected  to  have  or  be  at  risk  of  bone  disease,  and  every  year  an  estimated  1.5  million  individuals suffer a fracture due to bone disease. Recently, we have developed imaging methods to study how  osteoblasts  drive  bone  regeneration  in  zebrafish,  which  display  robust  regeneration  after  major  injury  to  bony  structures  like  their  fins,  scales,  and  jaws.  Our  goal  is  to  exploit  this  regenerative  capacity,  new  imaging  platforms we have created, and the molecular genetic approaches available in zebrafish to improve our ability  to understand and manipulate the regenerative capacity of bone. The goal of this proposal is to generate an in  toto map of the cellular and signaling events that regenerate patterned skeletal bone. Our experiments will test  the  hypothesis  that  correct  patterning  of  regenerating  bone  requires  dynamic  signaling  events  that  control  osteoblast  behaviors  at  individual  and  population  levels.    1)  We  will  use  long-­term  live  imaging,  labeling  with  photo-­convertible  proteins,  and  computational  analysis  to  generate  a  detailed  map  of  how  cell  proliferation,  hypertrophy  and  cellular  flows,  and  interactions  with  neighboring  tissues  drive  bone  regeneration.  2)  We  will  use  cutting  edge  biosensors,  live  imaging,  computational  approaches,  and  mathematical  modeling  to  dissect  how  traveling  waves  of  chemical  signals  stimulate  the  growth  of  a  regenerating  osteoblast  population.  3)  We  will use transcriptome profiling approaches to derive further insights on the dynamics of growth factor signaling,  including  single-­cell  sequencing-­based  approaches  to  link  gene  expression  programs  with  osteoblast  behaviors.  These  experiments  will  define  a  novel  quantitative  framework  for  understanding  how  osteoblast  behaviors orchestrate bone regeneration.