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 Barrier epithelial organs face the constant challenge of sealing the interior body from the external environment while simultaneously replacing the cells that contact this environment. These replacement cells—the progeny of basal stem cells—are born without apical, barrier-forming structures such as a protective, lumen-facing membrane and occluding junctions. How stem cell progeny acquire these structures to become part of the barrier is unknown. Here we use Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM), Correlative Light-Electron Microscopy (CLEM), and volumetric imaging of live and fixed organs to investigate progenitor integration in the intestinal epithelium of adult Drosophila . We find that stem cell daughters gestate their future lumenal-apical membrane beneath a transient, basal niche formed by an umbrella-shaped occluding junction that shelters the growing cell and adheres it to mature neighbor cells. The umbrella junction both targets formation of a deep, microvilli-lined, apical invagination and closes it off from the contents of the gut lumen. When the growing cell is sufficiently mature, the umbrella junction retracts to expose this Pre-Assembled Apical Compartment (PAAC) to the gut lumen, thus incorporating the new cell into the intestinal barrier. When we block umbrella junctions, stem cell daughters grow and attempt to differentiate but fail to integrate; when we block cell growth, no umbrella junctions form and daughters arrest in early differentiation. Thus, stem cell progeny build new barrier structures in the shelter of a transient niche, where they are protected from lumenal insults until they are prepared to withstand them. By coordinating this dynamic junctional niche with progenitor cell differentiation, a physiologically active epithelial organ incorporates new cells while upholding integrity of its barrier.

Dietary intervention has received considerable attention as an approach to extend lifespan and improve aging. However, questions remain regarding optimal dietary regime and underlying mechanism of lifespan extension. Here, we asked how glucose-enriched food extends the lifespan of Drosophila. We showed that glucose-dependent lifespan extension is independent of caloric restriction, or insulin activity, two established mechanisms of lifespan extension. Instead, we found that flies raised on glucose-enriched food increased the expression of cell junction proteins, and extended intestinal barrier integrity with age. Furthermore, chemical disruption of the intestinal barrier removed the lifespan extension associated with glucose-treatment, suggesting that glucose-enriched food prolongs adult viability by enhancing the intestinal barrier. We believe our data contribute to our understanding of intestinal health and may help efforts to develop preventative measures to limit the effects of aging and disease.

Pathogen-mediated damage to the intestinal epithelium activates compensatory growth and differentiation repair programs in progenitor cells. Accelerated progenitor growth replenishes damaged tissue and maintains barrier integrity. Despite the importance of epithelial renewal to intestinal homeostasis, we know little about the effects of pathogen-commensal interactions on progenitor growth. We found that the enteric pathogen Vibrio cholerae, blocks critical growth and differentiation pathways in Drosophila progenitors despite extensive damage to the epithelial tissue. We showed that inhibition of epithelial repair requires interactions of the Vibrio cholerae type six secretion system with a complex community of symbiotic bacteria, and that elimination of the gut microbiome is sufficient to restore homeostatic growth in infected intestines. Together, this work highlights the importance of pathogen-symbiont interactions on intestinal immune responses and outlines a previously undescribed impact of the type six secretion system on pathogenesis.

Immune and metabolic pathways collectively influence host responses to microbial invaders, and mutations in one pathway frequently disrupt activity in the other. We used the Drosophila model to characterize metabolic homeostasis in flies with modified Immune Deficiency (IMD) pathway activity. The IMD pathway is very similar to the mammalian Tumor Necrosis Factor-alpha pathway, a key regulator of vertebrate immunity and metabolism. We found that persistent activation of IMD resulted in hyperglycemia, depleted fat reserves, and developmental delays, implicating IMD in metabolic regulation. Consistent with this hypothesis, we found that imd mutants weigh more, are hyperlipidemic, and have impaired glucose tolerance. To test the importance of metabolic regulation for host responses to bacterial infection, we challenged insulin pathway mutants with lethal doses of several Drosophila pathogens. We found that loss-of-function mutations in the insulin pathway impacted host responses to infection in a manner that depends on the route of infection, and the identity of the infectious microbe. Combined, our results support a role for coordinated regulation of immune and metabolic pathways in host containment of microbial invaders.

The acquisition of nutrients is essential for maintenance of metabolic processes in all organisms. Nutritional imbalance contributes to myriad metabolic disorders that include malnutrition, diabetes, and even cancer. Recently, the importance of macronutrient ratio of food has emerged as a critical factor to determine health outcomes. Here we show that individual modifications to a completely defined diet markedly impact multiple aspects of organism wellbeing in Drosophila melanogaster. Through a longitudinal survey of several diets we demonstrate that increased levels of dietary glucose significantly improve longevity and immunity in adult Drosophila. Our metagenomic studies, show that relative macronutrient levels not only influence the host, but also have a profound impact on microbiota composition. However, we found that elevated dietary glucose extended the lifespan of adult flies even when raised in a germ-free environment. Furthermore, when challenged with a chronic enteric infection, flies fed a diet with added glucose had increased survival times even in the absence of an intact microbiota. Thus, in contrast to known links between the microbiota and animal health, our findings uncover a novel microbiota-independent response to diet that impacts host wellbeing. As dietary responses are highly conserved in animals, we believe our results offer a general understanding of the association between glucose metabolism and animal health.

Commensal bacteria regulate the growth and differentiation of intestinal epithelial cells. Deregulated growth compromises the efficacy of critical repair pathways, and promotes tissue dysplasia and tumorigenesis. Despite the importance of bacteria-derived cues for tissue homeostasis, we know little about how intestinal commensals directly influence stem cell division programs. In this study, we examined the effects of common fly symbionts on tissue growth and tumorigenesis in the Drosophila intestine. We identified the cell wall of Lactobacillus brevis as a potent stimulator of Notch-deficient tumor growth. Our work uncovered a complex feed-forward loop between tumor growth and intestinal colonization by L. brevis. Mechanistically, we showed that L. brevis disrupts the expression and apicobasal distribution of integrins in intestinal progenitors, and supports an increase in stem cell numbers characterized by elevated numbers of symmetric stem cell divisions. Collectively, this work highlights host-commensal interactions that influence intestinal growth and stem cell division.