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

点击翻译按钮获取中文摘要

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.