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

项目概要： 器官和其他复杂组织“知道”何时以及如何停止生长，以达到正确的大小， 形状 器官大小控制机制的破坏可能导致先天性异常、器官功能不佳 体内平衡和组织修复以及肿瘤。 成年斑马鱼的尾鳍，包括它们复杂的骨架和 其他组织，完全再生到它们原来的大小和形状，无论性质或位置的。 损伤 因此，斑马鱼鳍再生提供了一个引人注目的和遗传上易处理的脊椎动物模型 来研究器官大小控制机制现有的稳健的鳍尺寸再生模型推测， 鳍细胞维持着大量的“位置特性”，以某种方式指示不同程度的生长。 我们提出了一个独特而直接的模型，巧妙地解释了鳍的大小和形状是如何恢复的， 调用分子编码的位置信息。 在细胞膜远端的关键细胞群 我们称之为“生态位”的再生鳍产生Wnt信号，通过维持 祖细胞 我们确定Dachsund转录因子作为新的生态位标记，并表明生态位 独特地形成于填充圆柱形内部的X射线内间充质，大小不同， 和逐渐变细的鳍条。 我们表明，生态位，因此Wnt，稳步消散， 再生展开;一旦耗尽，生长停止。因此，再生翅片尺寸由翅片的量决定 损伤后形成的小生境-这仅仅取决于X射线内间充质的可用性， 因此损伤部位的骨宽度。 这种“换位缩放”模型表明，宏观尺度的鳍大小 形状由间充质-骨龛状态转换和自我修复骨几何形状决定，而不是 单个细胞的唯一位置标识。我们将探索这种模式，揭示潜在的细胞， 鳍再生过程中尺寸控制的分子机制有三个具体目的：1. 定义内射线 间充质/远端小生境谱系细胞状态、转换和命运，2.确定信号传导和转录 维持生态位状态和功能的机制，以及3. 确定适当的“倒计时器”机制 使用Longfint 2斑马鱼-我们显示其由于KCNH 2A离子通道的错误表达而具有损坏的计时器。 这一见解表明离子通道和Ca 2+信号传导控制着小生境细胞的自我更新。我们的计划将支持 一个潜在的广泛适用的“换位缩放”概念，具有用于器官如何 其大小和形状由组织内驻留的小生境细胞的动态群体决定。 我们的研究将有 其他人类健康的影响，因为1）了解斑马鱼的骨再生可能会告知 人类骨疾病的再生医学方法，和2）KCNH 2a是KCNH 2的斑马鱼直向同源物， 它通常在长QT综合征中发生突变，并编码一种蛋白质，这种蛋白质是一种臭名昭著的治疗性“关闭-关闭 目标”。我们的典范和多样化的技术创新将开辟新的方向，并激励其他 科学家，扩大我们的项目对基础研究和再生医学的影响。

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.