Transpositional scaling and niche transitions restore organ size and shape during zebrafish fin regeneration

斑马鱼鳍再生过程中，转位缩放和生态位转变可恢复器官大小和形状

• 批准号: 9895229
• 负责人: KRYN STANKUNAS
• 金额: $ 25万
• 依托单位: UNIVERSITY OF OREGON
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2018-06-08 至 2022-02-28
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9895229
• 关键词: Adult; Bone Diseases; Bone Regeneration; Cell Lineage; Cells; Complex; Congenital Abnormality; Distal; Genetic Transcription; Growth; Health; Homeostasis; Human; Individual; Injury; Ion Channel; Lead; Long QT Syndrome; Malignant Neoplasms; Mesenchyme; Modeling; Molecular; Mutate; Natural regeneration; Nature; Organ; Organ Size; Population; Positioning Attribute; Process; Proteins; Regenerative Medicine; Scientist; Shapes; Signal Transduction; Site; Skeleton; Stem cells; Tissues; WNT Signaling Pathway; Width; Zebrafish; bone; bone geometry; exhaust; fundamental research; human disease; insight; novel; organ regeneration; programs; research study; self-renewal; technological innovation; therapeutic target; tissue repair; transcription factor; tumor

PROJECT SUMMARY:  Organs  and  other  complex  tissues  “know”  when  and  how  to  stop  growing  to  arrive  at  the  correct  size  and  shape.  Disruption  of  organ  size  control  mechanisms  can  lead  to  congenital  abnormalities,  poor  organ  homeostasis  and  tissue  repair,  and  tumors.  Adult  zebrafish  caudal  fins,  including  their  complex  skeleton  and  other  tissues,  perfectly  regenerate  to  their  original  size  and  shape  regardless  of  the  nature  or  position  of  the  injury.  Therefore,  zebrafish  fin  regeneration  provides  a  compelling  and  genetically  tractable  vertebrate  model  to interrogate organ size control mechanisms. Prevailing models for robust fin size regeneration speculate that  fin  cells  maintain  a  multitude  of  “positional  identities”  that  somehow  instruct  different  degrees  of  outgrowth.  We  propose  a  distinct and straightforward model  that  neatly  explains  how  fin  size  and  shape  is  restored  without  invoking  molecularly  encoded  positional  information.  A  key  cell  population  at  the  distal  end  of  the  regenerating  fin  that  we  term  the  “niche”  produces  Wnt  signals  that  promote  fin  outgrowth  by  sustaining  progenitor  cells.  We  identify  Dachsund  transcription  factors  as  novel  niche  markers  and  show  that  the  niche  uniquely  forms  from  intra-­‐‑ray  mesenchyme  that  populates  the  inside  of  the  cylindrical,  differentially  sized,  and  progressively  tapered  fin  rays.  We  show  that  the  niche,  and  therefore  Wnt,  steadily  dissipates  as  regeneration unfolds; once exhausted, growth stops. As such, regenerated fin size is dictated by the amount of  niche  formed  upon  damage  –  which  is  simply  dependent  on  the  availability  of  intra-­‐‑ray  mesenchyme  and  hence  bone  width  at  the  damage  site.  This  “transpositional  scaling”  model  suggests  that  macro-­‐‑scale  fin  size  and  shape  is  determined  by  mesenchyme-­‐‑niche  state  transitions  and  self-­‐‑restoring  bone  geometry  rather  than  unique positional identities of individual cells. We will explore this paradigm and uncover underlying cell and  molecular  mechanisms  for  size  control  during  fin  regeneration  by  three  Specific  Aims:  1.  Define  intra-­‐‑ray  mesenchyme / distal niche lineage cell states, transitions, and fates, 2. Determine signaling and transcriptional  mechanisms  maintaining  niche  state  and  function,  and  3.  Determine  niche  “countdown  timer”  mechanisms  using longfint2 zebrafish – which we show have a broken timer due to misexpression of the kcnh2a ion channel.  This insight suggests ion channels and Ca2+ signaling govern niche cell self-­‐‑renewal. Our program will support  a  potentially  broadly  applicable  “transpositional  scaling”  concept  with  exemplary  mechanisms  for  how  organ  size  and  shape  are  determined  by  dynamic  populations  of  tissue-­‐‑resident  niche  cells.  Our  study  will  have  additional  human  health  impacts  since  1)  understanding  bone  regeneration  in  zebrafish  may  inform  regenerative medicine approaches for human bone disease, and 2) kcnh2a is the zebrafish orthologue of kcnh2,  which  is  commonly  mutated  in  long  QT  syndrome  and  encodes  a  protein  that  is  a  notorious  therapeutic  “off-­‐‑ target”. Our paradigmatic and diverse technological innovations will open up new directions and inspire other  scientists, broadening our project’s impact on both fundamental research and regenerative medicine.

项目摘要：  器官和其他复杂组织“知道”何时以及如何停止生长以达到正确的尺寸和  形状。  器官大小控制机制的破坏可能导致先天性异常、器官不良  体内平衡和组织修复以及肿瘤。  成年斑马鱼尾鳍，包括其复杂的骨骼和  其他组织，无论其性质或位置如何，都能完美再生至其原始大小和形状  受伤。  因此，斑马鱼鳍的再生提供了一个令人信服且在遗传上易于处理的脊椎动物模型  询问器官大小控制机制。 稳健鳍尺寸再生的流行模型推测  鳍细胞维持着多种“位置特性”，以某种方式指导不同程度的生长。  我们提出了一个独特且直接的模型，它巧妙地解释了如何在不发生任何情况下恢复鳍的尺寸和形状。  调用分子编码的位置信息。  位于远端的关键细胞群  再生鳍，我们称之为“利基”，产生 Wnt 信号，通过维持来促进鳍的生长  祖细胞。  我们将腊肠犬转录因子确定为新颖的生态位标记，并表明该生态位  独特地由射线内间充质形成，填充在圆柱形内部，大小不同，  和逐渐变细的鳍条。  我们表明，利基市场以及 Wnt 会随着以下因素而稳步消散：  再生展开； 一旦耗尽，生长就会停止。 因此，再生翅片的尺寸取决于  损伤时形成的生态位 - 这仅取决于射线内间充质的可用性和  因此，损伤部位的骨宽度。  这种“换位缩放”模型表明，宏观尺度的鳍尺寸  并且形状是由间质-生态位状态转变和自我恢复骨几何形状决定的，而不是由  单个细胞的独特位置特征。 我们将探索这个范式并揭示底层细胞和  鳍再生过程中大小控制的分子机制，通过三个具体目标： 1. 定义射线内  间充质/远端生态位谱系细胞状态、转变和命运，2. 确定信号传导和转录  维持利基状态和功能的机制，以及 3. 确定利基“倒计时器”机制  使用 longfint2 斑马鱼——我们发现它的计时器由于 kcnh2a 离子通道的错误表达而损坏。  这一见解表明离子通道和 Ca2+ 信号传导控制微环境细胞的自我更新。 我们的计划将支持  一个潜在广泛适用的“换位缩放”概念，具有器官如何发挥作用的示范机制  大小和形状由组织驻留微环境细胞的动态群体决定。  我们的研究将有  其他人类健康影响，因为 1) 了解斑马鱼的骨再生可能会提供信息  人类骨疾病的再生医学方法，2) kcnh2a 是 kcnh2 的斑马鱼直系同源物，  它通常在长 QT 综合征中发生突变，并编码一种臭名昭著的治疗“非--”蛋白质 目标”。我们的范式和多样化的技术创新将开辟新的方向并激励其他人  科学家，扩大我们的项目对基础研究和再生医学的影响。