Summary Axis extension is a fundamental biological process that shapes multicellular organisms. The design of an animal’s body plan is encoded in the genome and execution of this program is a multiscale mechanical progression involving the coordinated movement of proteins, cells, and whole tissues. Thus, a key challenge to understanding axis extension is connecting events that occur across these various length scales. Here, we use approaches from proteomics, cell biology, and tissue biomechanics to describe how a poorly characterized cell adhesion effector, the Armadillo Repeat protein deleted in Velo-Cardio-Facial syndrome (Arvcf) catenin, controls vertebrate head-to-tail axis extension. We find that Arvcf catenin is required for axis extension within the intact organism but is not required for extension of isolated tissues. We then show that the organism scale phenotype is caused by a modest defect in force production at the tissue scale that becomes apparent when the tissue is challenged by external resistance. Finally, we show that the tissue scale force defect results from dampening of the pulsatile recruitment of cell adhesion and cytoskeletal proteins to cell membranes. These results not only provide a comprehensive understanding of Arvcf function during an essential biological process, but also provide insight into how a modest cellular scale defect in cell adhesion results in an organism scale failure of development.

Abstract Most motile cilia have a stereotyped structure of nine microtubule outer doublets and a single central pair of microtubules. The central pair microtubules are surrounded by a set of proteins, termed the central pair apparatus. A specific kinesin, Klp1 projects from the central pair and contributes to ciliary motility in Chlamydomonas . The vertebrate orthologue, Kif9 is required for beating in mouse sperm flagella, but the mechanism of Kif9/Klp1 function remains poorly defined. Here, using Xenopus epidermal multiciliated cells, we show that Kif9 is necessary for ciliary motility as well as leads to defects in the distal localization of not only central pair proteins, but also radial spokes and dynein arms. In addition, single-molecule assays in vitro revealed that Xenopus Kif9 is a processive motor, though like axonemal dyneins it displays no processivity in ciliary axonemes in vivo . Thus, our data suggest that Kif9 plays both indirect and direct role in ciliary motility.

Motile cilia are ancient, evolutionarily conserved organelles whose dysfunction underlies motile ciliopathies, a broad class of human diseases. Motile cilia contain myriad different proteins that assemble into an array of distinct machines, so understanding the interactions and functional hierarchies among them presents an important challenge. Here, we defined the protein interactome of motile axonemes using cross-linking mass spectrometry (XL/MS) in Tetrahymena thermophila. From over 19,000 XLs, we identified 4,757 unique amino acid interactions among 1,143 distinct proteins, providing both macromolecular and atomic-scale insights into diverse ciliary machines, including the Intraflagellar Transport system, axonemal dynein arms, radial spokes, the 96 nm ruler, and microtubule inner proteins, among others. Guided by this dataset, we used vertebrate multiciliated cells to reveal novel functional interactions among several poorly-defined human ciliopathy proteins. The dataset therefore provides a powerful resource for studying the basic biology of an ancient organelle and the molecular etiology of human genetic disease.

All eukaryotes share a common ancestor from roughly 1.5 - 1.8 billion years ago, a single-celled, swimming microbe known as LECA, the Last Eukaryotic Common Ancestor. Nearly half of the genes in modern eukaryotes were present in LECA, and many current genetic diseases and traits stem from these ancient molecular systems. To better understand these systems, we compared genes across modern organisms and identified a core set of 10,092 shared protein-coding gene families likely present in LECA, a quarter of which are uncharacterized. We then integrated >26,000 mass spectrometry proteomics analyses from 31 species to infer how these proteins interact in higher-order complexes. The resulting interactome describes the biochemical organization of LECA, revealing both known and new assemblies. We analyzed these ancient protein interactions to find new human gene-disease relationships for bone density and congenital birth defects, demonstrating the value of ancestral protein interactions for guiding functional genetics today.