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，并且 形状。器官尺寸控制机制的破坏会导致先天性异常，器官差 稳态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 其他时间，无论其最初的大小和形状，无论其最初的大小和形状如何 受伤。因此，斑马鱼鳍的再生提供了引人入胜且一般可牵引的脊椎动物模型 询问器官尺寸控制机制。稳健尺寸再生的盛行模型推测 鳍单元保持多种“位置身份”，这些身份以某种方式指导不同程度的产物。 我们提出了一个独特而直截了当的模型  调用分子编码的位置信息。关键细胞种群在远端 我们认为“利基”会产生Wnt信号的再生鳍，该信号通过维持来促进鳍的产物 祖细胞。我们将堤防转录因子识别为新的小众标记，并表明利基市场 来自射线内质的独特形式 并逐渐变细的鳍光线。我们证明了利基市场，因此稳定地消失了 再生展开；一旦筋疲力尽，生长就会停止。因此，再生的鳍尺寸由 损坏形成的利基 - 这仅取决于内质和雷内的可用性 因此，损坏部位的骨宽度。这种“换位缩放”模型表明宏观尺寸尺寸 形状由间充质-----------------------------------------------------》（----- 单个细胞的独特位置身份。我们将探索这个范式并发现潜在的细胞，并 通过三个特定目的在鳍上再生过程中尺寸控制的分子机制：1。定义液内 间充质/远端小裂谱系细胞状态，过渡和命运，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“倒数计时器”机制 使用Longfint2斑马鱼 - 由于KCNH2A离子通道的misexpression，我们显示的计时器损坏。 该洞察力表明离子通道和Ca2+信号传导控制生态裂细胞自我恢复。我们的计划将支持 一种潜在的广泛适用的“转置缩放”概念，具有示例性机制 大小和形状取决于组织 - 居民小众细胞的动态种群。我们的研究将有 自从1）了解斑马鱼的骨骼再生以来会产生其他影响 人骨病的再生医学方法，2）KCNH2A是KCNH2的斑马鱼直系同源物， 通常在长QT综合征中突变，并编码一种臭名昭著的治疗性的蛋白质。 目标”。我们的范式和潜水员的技术创新将打开新的方向并启发其他 科学家扩大了我们项目对基础研究和再生医学的影响。