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Thomas Gregor
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Quantitative Imaging of Transcription in Living Drosophila Embryos Links Polymerase Activity to Patterning

Hernán García et al.Oct 17, 2013

Summary

 Spatiotemporal patterns of gene expression are fundamental to every developmental program. The resulting macroscopic domains have been mainly characterized by their levels of gene products [1–3]. However, the establishment of such patterns results from differences in the dynamics of microscopic events in individual cells such as transcription. It is unclear how these microscopic decisions lead to macroscopic patterns, as measurements in fixed tissue cannot access the underlying transcriptional dynamics [4–7]. In vivo transcriptional dynamics have long been approached in single-celled organisms [8–12], but never in a multicellular developmental context. Here, we directly address how boundaries of gene expression emerge in the Drosophila embryo by measuring the absolute number of actively transcribing polymerases in real time in individual nuclei. Specifically, we show that the formation of a boundary cannot be quantitatively explained by the rate of mRNA production in each cell, but instead requires amplification of the dynamic range of the expression boundary. This amplification is accomplished by nuclei randomly adopting active or inactive states of transcription, leading to a collective effect where the fraction of active nuclei is modulated in space. Thus, developmental patterns are not just the consequence of reproducible transcriptional dynamics in individual nuclei, but are the result of averaging expression over space and time.
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Optogenetic control of the Bicoid morphogen reveals fast and slow modes of gap gene regulation

Annette Singh et al.Oct 14, 2021
Abstract Developmental patterning networks are regulated by multiple inputs and feedback connections that rapidly reshape gene expression, limiting the information that can be gained solely from slow genetic perturbations. Here we show that fast optogenetic stimuli, real-time transcriptional reporters, and a simplified genetic background can be combined to reveal quantitative regulatory dynamics from a complex genetic network in vivo . We engineer light-controlled variants of the Bicoid transcription factor and study their effects on downstream gap genes in embryos. Our results recapitulate known relationships, including rapid Bicoid-dependent expression of giant and hunchback and delayed repression of Krüppel . In contrast, we find that the posterior pattern of knirps exhibits a quick but inverted response to Bicoid perturbation, suggesting a previously unreported role for Bicoid in suppressing knirps expression. Acute modulation of transcription factor concentration while simultaneously recording output gene activity represents a powerful approach for studying how gene circuit elements are coupled to cell identification and complex body pattern formation in vivo .
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Eco-evolutionary significance of 'loners'

Fernando Rossine et al.Dec 31, 2018
Loners, individuals out-of-sync with a coordinated majority, occur frequently in nature. Are loners incidental byproducts of large-scale synchronization attempts or are they part of a mosaic of life-history strategies? Here, we provide the first empirical evidence of naturally occurring heritable variation in loner behavior, using the social amoeba Dictyostelium discoideum. Moreover, we show that Dictyostelium loners, cells that do not join the multicellular life-stage, result from a dynamic population-partitioning process. Underlying this partitioning, we find evidence that each cell makes a stochastic, signal-based decision resulting in an imperfectly synchronized multicellular development affected by both abiotic (environmental porosity) and biotic (strain-specific signaling) factors. Finally, we predict that when strains differing in their partitioning behavior co-occur, cross-signaling impacts slime-mold diversity across spatio-temporal scales. Loners are therefore critical to understanding collective and social behaviors, multicellular development, and ecological dynamics in D. discoideum. More broadly, across taxa, imperfect synchronization might be adaptive by enabling diversification of life-history strategies.
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