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: 10115761
• 负责人: KRYN STANKUNAS
• 金额: $ 41.45万
• 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 2023-02-28
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10115761
• 关键词: Adult; Alleles; Anatomy; Animals; Bone Diseases; Bone Regeneration; CRISPR/Cas technology; Cell Lineage; Cells; Code; Complex; Congenital Abnormality; Distal; Dorsal; Ectopic Expression; Epigenetic Process; Epithelial; Family; Gene Expression Profile; Gene Expression Profiling; Genetic; Genetic Transcription; Geometry; Growth; Health; Homeostasis; Human; Individual; Injury; Instruction; Ion Channel; Lead; Long QT Syndrome; Malignant Neoplasms; Mesenchymal; Mesenchyme; Modeling; Molecular; Mosaicism; Mutate; Mutation; Natural regeneration; Nature; Organ; Organ Size; Phenotype; Population; Positioning Attribute; Potassium Channel; Process; Production; Property; Proteins; Regenerative Medicine; Research; Resolution; Scientist; Shapes; Signal Transduction; Site; Skeleton; Specific qualifier value; System; Testing; Tissues; Translating; WNT Signaling Pathway; Width; Work; Zebrafish; bone; bone geometry; cell type; exhaust; experimental study; fundamental research; human disease; insight; novel; organ regeneration; predictive modeling; progenitor; programs; repaired; research study; self-renewal; single-cell RNA sequencing; skeletal regeneration; small molecule; stem cells; 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.

项目总结：中国 器官和其他复杂的组织应该知道什么时候生长，以及如何停止生长，才能达到正确的生长大小。 形状。器官大小和控制机制的混乱也会导致先天性器官异常，器官功能不佳。 动态平衡调节组织修复肿瘤。成年斑马鱼调节尾鳍，包括它们最复杂的骨骼和骨骼。 其他组织，无论其性质或位置如何，都可以完美地再生，以保持其原有的大小和形状。 因此，斑马鱼的鳍再生技术提供了一种令人信服的技术和一种遗传上易驯化的脊椎动物模型。 来审问器官的大小和控制机制。一些流行的模型预测一个强大的鳍大小和再生可能推测。 鳍状细胞可以维持大量的“位置认同”，这种认同可能会以某种方式指示不同程度的生长发育。 我们将提出一种截然不同、直截了当的模型，该模型巧妙地解释了如何在没有鱼的情况下恢复鳍的大小和形状。 调用一个分子编码的位置信息。一个关键的细胞和种群在世界的最远端。 再生金融市场意味着，我们现在所说的利基市场产生了新的信号，即通过可持续发展来促进金融市场和经济增长。 我们可以将Dachsund的转录因子鉴定为一种新的利基标记，并表明这是最新的利基标记。 独特的形式来自于内部射线和间质材料，这些材料填充在圆柱形的内部结构中，但大小不同。 我们将表明，随着时间的推移，这个利基市场，也就是WNT，将稳步消散。 再生是展开的；一旦耗尽，它的增长就会停止。因此，再生的鱼鳍大小取决于它的总量。 利基市场是在损害的基础上形成的--它不是简单地依赖于射线内和间质材料的可用性。 因此，骨的宽度在损伤的部位。这一模型表明，宏观尺度的鳍的大小。 而它的形状很大程度上是由间充质决定的-利基状态转变和自我-恢复骨骼和几何形状，而不是恢复。 每个个体细胞的独特位置和身份。我们将继续探索这一范式，并揭示潜在的细胞结构和功能。 通过以下三个具体的目标，分子生物学机制用于在鱼鳍再生过程中控制其大小：1.它定义了射线内的辐射。 间充质决定细胞的状态、转变、变化和命运，2.它们决定信号转导和转录调控。 维护利基的机制：国家和政府的职能、地位和作用；第三，利基决定利基的“倒计时计时器”和机制。 我们要展示的是，由于对kkcnh2a离子交换频道的错误表达，我们使用的是Longfint2斑马鱼计时器。 这一洞察力表明，离子通道和钙离子信号通路将管理利基细胞的自我更新。我们的新计划将继续支持。 一种可能广泛适用于“换位换位缩放”概念的方法，以及一种示范的方法机制，用于说明器官是如何移植的。 大小和形状取决于组织的动态群体-常驻和利基细胞。我们的研究将不会有这样的结果。 自1月1日以来对人类健康的额外影响)对斑马鱼骨骼和再生技术的了解可能不会提供信息。 再生医学正在接近人类骨骼疾病的治疗方法，2)Kcnh2a是KCNH2，的主要斑马鱼同源基因。 它在长QT间期综合征中是一种常见的突变基因，它编码一种新的蛋白质，它是一种臭名昭著的治疗药物 目标“。我们的典范技术和多样化的技术创新将继续开辟新的发展方向，并将激励其他公司。 科学家们正在扩大我们的研究项目对基础医学研究和再生医学的影响。