Abstract Oocytes are large and resourceful. During oogenesis some germ cells grow, typically at the expense of others that undergo apoptosis. How germ cells are selected to live or die out of a homogeneous population remains unclear. Here we show that this cell fate decision in C. elegans is mechanical and related to tissue hydraulics. Germ cells become inflated when the pressure inside them is lower than in the common cytoplasmic pool. This condition triggers a hydraulic instability which amplifies volume differences and causes some germ cells to grow and others to shrink. Shrinking germ cells are extruded and die, as we demonstrate by reducing germ cell volumes via thermoviscous pumping. Together, this reveals a robust mechanism of mechanochemical cell fate decision making in the germline.

Abstract Animal organs exhibit complex topologies involving cavities and tubular networks, which underlie their form and function. However, how topology emerges during organ morphogenesis remains elusive. Here, we combine tissue reconstitution and quantitative microscopy to show that trans and cis epithelial fusion govern tissue topology and shape. These two modes of topological transitions can be regulated in neuroepithelial organoids, leading to divergent topologies. The morphological space can be captured by a single control parameter which is analogous to the reduced Gaussian rigidity of an epithelial surface. Finally, we identify a pharmacologically accessible pathway that regulates the frequency of trans and cis fusion, and demonstrate the control of organoid topology and shape. The physical principles uncovered here provide fundamental insights into the self-organization of complex tissues.

During preimplantation development, mouse embryos form a fluid-filled lumen, which sets their first axis of symmetry 1,2 . Pressurized fluid breaks open cell-cell contacts and accumulates into pockets, which gradually coarsen into a single lumen 3–5 . During coarsening, the adhesive and contractile properties of cells are thought to guide intercellular fluid (IF) but what cell behavior may control fluid movements is unknown. Here, we report large fluid-filled spherical membrane intrusions called inverse blebs 6,7 growing into cells at adhesive contacts. At the onset of lumen coarsening, we observed hundreds of inverse blebs throughout the embryo, each dynamically filling with IF and retracting within a minute. We find that inverse blebs grow due to pressure build-up resulting from luminal fluid accumulation and cell-cell adhesion, which locally confines fluid. Inverse blebs then retract due to actomyosin contraction, which effectively redistributes fluid within the intercellular space. Importantly, inverse blebs show topological specificity and only occur at contacts between two cells, not at contacts formed by multiple cells, which essentially serve as fluid sinks. Manipulating the topology of the embryo reveals that, in the absence of sinks, inverse blebs pump fluid into one another in a futile cycle. We propose that inverse blebs operate as hydraulic pumps to promote luminal coarsening, thereby constituting an instrument used by cells to control fluid movement.

Many animal embryos pull and close an epithelial sheet around the spherical or ellipsoidal egg surface during a gastrulation process known as epiboly. The ovoidal geometry dictates that the epithelial sheet first expands and subsequently compacts. Moreover, the epithelial sheet spreading over the sphere is mechanically stressed and this stress needs to be released. Here we show that during extraembryonic tissue (serosa) epiboly in the red flour beetle Tribolium castaneum , the non-proliferative serosa becomes regionalized into two distinct territories: a dorsal region under higher tension away from the leading edge with larger non-rearranging cells, and a more fluid ventral region under lower tension surrounding the leading edge with smaller cells undergoing cell intercalation. Our results suggest that fluidization of the leading edge is caused by a heterogeneous actomyosin cable that drives sequential eviction and intercalation of individual cells away from the serosa margin. Since this developmental solution utilized during epiboly resembles the mechanism of wound healing in other systems, we propose actomyosin cable-driven local tissue fluidization as a conserved morphogenetic module for closure of epithelial gaps.

During embryogenesis, the earliest cell fate decision is often linked to nuclear positioning, whose control arises from the integration of the cell cycle oscillator and associated cytoskeletal dynamics. Yet, the mechanisms that ensure that the correct number of nuclei move to the appropriate place remain poorly understood. Here, using light sheet microscopy, we show that in Drosophila embryos spindle orientation controls which nuclei migrate towards the cortex and which remains inside the embryo, thereby determining nuclear fate and the number of cells undergoing development. Combining computational methods inspired by integral geometry and manipulations of cell cycle genes, we show that spindle orientation is controlled by topological spindle-spindle interactions and not by internuclear distance. Using arguments describing the behavior of space-filling systems, we develop a theory for topological dependency in microtubule structures. Our work shows how topological interplay of microtubule mechanics can ensure robust control of density and cell fate determination.