For more than 100 years, the fruit fly

Abstract The ability to obtain single cell transcriptomes for stable cell types and dynamic cell states is ushering in a new era for biology. We created the Tabula Drosophilae , a single cell atlas of the adult fruit fly which includes 580k cells from 15 individually dissected sexed tissues as well as the entire head and body. Over 100 researchers from the fly community contributed annotations to >250 distinct cell types across all tissues. We provide an in-depth analysis of cell type-related gene signatures and transcription factor markers, as well as sexual dimorphism, across the whole animal. Analysis of common cell types that are shared between tissues, such as blood and muscle cells, allowed the discovery of rare cell types and tissue-specific subtypes. This atlas provides a valuable resource for the entire Drosophila community and serves as a comprehensive reference to study genetic perturbations and disease models at single cell resolution.

Abstract Sarcomeres are the force producing units of all striated muscles. Their nanoarchitecture critically depends on the large titin protein, which in vertebrates spans from the sarcomeric Z-disc to the M-band and hence links actin and myosin filaments stably together. This ensures sarcomeric integrity and determines the length of vertebrate sarcomeres. However, the instructive role of titins for sarcomeric architecture outside of vertebrates is not as well understood. Here, we used a series of nanobodies, the Drosophila titin nanobody toolbox, recognising specific domains of the two Drosophila titin homologs Sallimus and Projectin to determine their precise location in intact flight muscles. By combining nanobodies with DNA-PAINT super- resolution microscopy, we found that, similar to vertebrate titin, Sallimus bridges across the flight muscle I-band, whereas Projectin is located at the beginning of the A- band. Interestingly, the ends of both proteins overlap at the I-band/A-band border, revealing a staggered organisation of the two Drosophila titin homologs. This architecture may help to stably anchor Sallimus at the myosin filament and hence ensure efficient force transduction during flight.

Abstract Measuring the positions and dynamics of proteins in intact tissues or whole animals is key to understand protein function. However, to date this is still a challenging task, as accessibility of large antibodies to dense tissues is often limited and fluorescent proteins inserted close to a domain of interest may affect function of the tagged protein. These complications are particularly present in the muscle sarcomere, arguably one of the most protein dense structures in nature, which makes studying morphogenesis at molecular resolution challenging. Here, we have employed an efficient pipeline to generate a nanobody toolbox specifically recognising various domains of two large Drosophila titin homologs, Sallimus and Projectin. We demonstrate the superior labelling qualities of our nanobodies compared to conventional antibodies in intact muscle tissue. Applying our nanobody toolbox to larval muscles revealed a gigantic Sallimus isoform stretched more than 2 µm to bridge the sarcomeric I-band. Furthermore, N- and C-terminal nanobodies against Projectin identified an unexpected polar orientation of Projectin covering the myosin filaments in larval muscles. Finally, expression of a Sallimus nanobody in living larval muscles confirmed the high affinity binding of nanobodies to target epitopes in living tissue and hence demonstrated their power to reveal the in vivo dynamics of sarcomeric protein domains. Together, our toolbox substantiates the multiple advantages of nanobodies to study sarcomere biology. It may inspire the generation of similar toolboxes for other large protein complexes in Drosophila or mammals.

Abstract Complex animals build specialised muscle to match specific biomechanical and energetic needs. Hence, composition and architecture of sarcomeres as well as mitochondria are muscle type specific. However, mechanisms coordinating mitochondria with sarcomere morphogenesis are elusive. Here we use Drosophila muscles to demonstrate that myofibril and mitochondria morphogenesis are intimately linked. In flight muscles, the muscle selector spalt instructs mitochondria to intercalate between myofibrils, which in turn mechanically constrain mitochondria into elongated shapes. Conversely in cross-striated muscles, mitochondria networks surround myofibril bundles, contacting myofibrils only with thin extensions. To investigate the mechanism causing these differences, we manipulated mitochondrial dynamics and found that increased mitochondrial fusion during myofibril assembly prevents mitochondrial intercalation in flight muscles. Strikingly, this coincides with the expression of cross-striated muscle specific sarcomeric proteins. Consequently, flight muscle myofibrils convert towards a partially cross-striated architecture. Together, these data suggest a biomechanical feedback mechanism downstream of spalt synchronizing mitochondria with myofibril morphogenesis.

Abstract Human muscle is a hierarchically organised tissue with its contractile cells called myofibers packed into large myofiber bundles. Each myofiber contains periodic myofibrils built by hundreds of contractile sarcomeres that generate large mechanical forces. To better understand the mechanisms that coordinate human muscle morphogenesis from tissue to molecular scales, we adopted a simple in vitro system using induced pluripotent stem cell-derived human myogenic precursors. When grown on an unrestricted two-dimensional substrate, developing myofibers spontaneously align and self-organise into higher-order myofiber bundles, which grow and consolidate to stable sizes. Following a transcriptional boost of sarcomeric components, myofibrils assemble into chains of periodic sarcomeres that emerge across the entire myofiber. By directly probing tension we found that tension build-up precedes sarcomere assembly and increases within each assembling myofibril. Furthermore, we found that myofiber ends stably attach to other myofibers using integrin-based attachments and thus myofiber bundling coincides with stable myofiber bundle attachment in vitro . A failure in stable myofiber attachment results in a collapse of the myofibrils. Overall, our results strongly suggest that mechanical tension across sarcomeric components as well as between differentiating myofibers is key to coordinate the multi-scale self-organisation of muscle morphogenesis.

Abstract Gene expression regulation requires precise transcriptional programs, led by transcription factors in combination with epigenetic events. Recent advances in epigenomic and transcriptomic techniques provided insight into different gene regulation mechanisms. However, to date it remains challenging to understand how combinations of transcription factors together with epigenetic events control cell-type specific gene expression. We developed the AnnoMiner web-server and introduce an innovative and flexible way to annotate and integrate epigenetic, and transcription factor occupancy data. First, AnnoMiner annotates user-provided peaks with gene features. Second, AnnoMiner can integrate genome binding data from two different transcriptional regulators together with gene features. Third, AnnoMiner offers to explore the transcriptional deregulation of 10 genes nearby a user-provided peak. AnnoMiner’s fourth function performs transcription factor or histone mark enrichment analysis for user-provided gene lists by utilizing hundreds of public, high-quality datasets from ENCODE for the model organisms human, mouse, Drosophila and C. elegans . Thus, AnnoMiner can predict transcriptional regulators for a studied process without the strict need for chromatin data from the same process. We compared AnnoMiner to existing tools and experimentally validated several transcriptional regulators predicted by AnnoMiner to indeed contribute to muscle morphogenesis in Drosophila . AnnoMiner is freely available at http://chimborazo.ibdm.univ-mrs.fr/AnnoMiner/ .

Abstract Muscles organise pseudo-crystalline arrays of actin, myosin and titin filaments to build force-producing sarcomeres. To study how sarcomeres are built, we performed transcriptome sequencing of developing Drosophila flight muscles and identified 40 distinct expression profile clusters. Strikingly, two clusters are strongly enriched for sarcomeric components. Temporal gene expression together with detailed morphological analysis enabled us to define two distinct phases of sarcomere development, which both require the transcriptional regulator Spalt major. During the sarcomere formation phase, 1.8 μm long immature sarcomeres assemble myofibrils that spontaneously contract. During the sarcomere maturation phase, these sarcomeres grow to their final 3.2 μm length and 1.5 μm diameter and acquire stretch-sensitivity. Interestingly, the final number of myofibrils per flight muscle fiber is determined at the onset of the first phase. Together, this defines a biphasic mode of sarcomere and myofibril morphogenesis – a new concept that may also apply to vertebrate muscle or heart development.

Abstract Skeletal muscles are composed of gigantic cells called muscle fibers, packed with force-producing myofibrils. During development the size of individual muscle fibers must dramatically enlarge to match with skeletal growth. How muscle growth is coordinated with growth of the contractile apparatus is not understood. Here, we use the large Drosophila flight muscles to mechanistically decipher how muscle fiber growth is controlled. We find that regulated activity of core members of the Hippo pathway is required to support flight muscle growth. Interestingly, we identify Dlg5 and Slmap as regulators of the STRIPAK phosphatase, which negatively regulates Hippo to enable post-mitotic muscle growth. Mechanistically, we show that the Hippo pathway controls timing and levels of sarcomeric gene expression during development and thus regulates the key components that physically mediate muscle growth. Since Dlg5, STRIPAK and the Hippo pathway are conserved a similar mechanism may contribute to muscle or cardiomyocyte growth in humans.