Summary Animal bodies are composed of hundreds of cell types that differ in location, morphology, cytoarchitecture, and physiology. This is reflected by cell type-specific transcription factors and downstream effector genes implementing functional specialisation. Here, we establish and explore the link between cell type-specific gene expression and subcellular morphology for the entire body of the marine annelid Platynereis dumerilii . For this, we registered a whole-body cellular expression atlas to a high-resolution electron microscopy dataset, automatically segmented all cell somata and nuclei, and clustered the cells according to gene expression or morphological parameters. We show that collective gene expression most efficiently identifies spatially coherent groups of cells that match anatomical boundaries, which indicates that combinations of regionally expressed transcription factors specify tissue identity. We provide an integrated browser as a Fiji plugin to readily explore, analyse and visualise multimodal datasets with remote on-demand access to all available datasets.

Abstract Facing the challenge of exploring and sharing multi-terabyte, multi-modal and multi-scale image data of heterogeneous dimensionality, we developed MoBIE, a Fiji plugin that provides rich visualization features to enable browsing data from numerous biomedical applications on a standard laptop computer. MoBIE also supports segmentations, associated measurements and annotations. Users can configure complex views of datasets, share them with collaborators, and use them for interactive figure panels. The MoBIE plugin also offers a convenient interface for converting data into compatible data formats; an additional Python library facilitates managing diverse MoBIE projects.

ABSTRACT Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is one of the major causes of disability and death worldwide and a significant risk factor for respiratory infections. Rhinoviral infections are the most common trigger of COPD exacerbations which lead to a worsening of disease symptoms, decline in lung function and increased mortality. The lack of suitable disease models to study the relevant cellular and molecular mechanism hinders the discovery of novel medicines that prevent disease progression in exacerbating COPD patients. We used quantitative multi-color imaging of COPD and control patient derived human precision-cut lung slices (hPCLS) to study the impact of rhinovirus infection on the structure and function of the small airway epithelium. Data analysis highlighted that COPD-derived hPCLS have a higher cellular density and basal cell hyperplasia, more unciliated airway surface areas with mucus overproduction, and shorter cilia length compared to control hPCLS. In response to rhinovirus 16 infection, COPD-derived hPCLS secreted higher amounts of pro-inflammatory cytokines and displayed decreased epithelial integrity and reduced airway ciliation. Finally, treatment with a selective PI3Kδ inhibitor reduced secretion of rhinovirus-induced cytokines and ameliorated rhinovirus-induced damage to COPD small airway epithelia. Thus, these data demonstrate the potential of quantitative imaging to assess complex airway functions in a patient-derived lung tissue model system, and indicate that targeting PI3Kδ might be a promising therapeutic opportunity to limit rhinovirus-induced airway damage in exacerbating COPD patients. Summary PI3Kδ inhibition reduces rhinovirus-mediated damage of small airway epithelia from chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients

Abstract The function of cellular structures at the mesoscale is dependent on their geometry and proportionality to cell size. The mitotic spindle is a good example why length and shape of intracellular organelles matter. Spindle length determines the distance over which chromosomes will segregate and spindle shape ensures bipolarity. While we still lack a systematic and quantitative understanding of subcellular morphometrics, new imaging techniques and volumetric data analysis promise novel insights into scaling relations across different species. Here, we introduce Spindle3D, an open-source plug-in that allows for the quantitative, unbiased, and automated analysis of 3D fluorescent data of spindles and chromatin. We systematically analyse different cell types, including somatic cells, stem cells and one-cell embryos across different phyla to derive volumetric relations of spindle, chromatin, and cell volume. Taken together, our data indicate that mitotic spindle width is a robust indicator of spindle volume, which correlates linearly with chromatin and cell volume both within single cell types and across metazoan phyla.

Centromeres are defined by a unique self-propagating chromatin structure featuring nucleosomes containing the histone H3 variant CENP-A. CENP-A turns over slower than general chromatin and a key question is whether this unusual stability is intrinsic to CENP-A nucleosomes or rather imposed by external factors. We designed a specific genetic screen to identify proteins involved in CENP-A stability based on SNAP-tag pulse chase labeling. Using a double pulse-labeling approach we simultaneously assay for factors with selective roles in CENP-A chromatin assembly. We discover a series of new proteins involved in CENP-A propagation, including proteins with known roles in DNA replication, repair and chromatin modification and transcription, revealing that a broad set of chromatin regulators impacts in CENP-A transmission through the cell cycle. The key factor we find to strongly affect CENP-A stability is SENP6. This SUMO-protease controls not only the levels of chromatin bound CENP-A but is required for the maintenance of virtually the entire centromere and kinetochore, with the exception of CENP-B. Acute depletion of SENP6 protein reveals its requirement for maintaining centromeric CENP-A levels throughout the cell cycle, suggesting that a dynamic SUMO cycle underlies a continuous surveillance of the centromere complex.

Fibrosis can affect any organ resulting in the loss of tissue architecture and function with often life-threatening consequences. Pathologically, fibrosis is characterised by expansion of connective tissue due to excessive deposition of extracellular matrix proteins (ECM), including the fibrillar forms of collagen. A significant hurdle for discovering cures for fibrosis is the lack of suitable models and techniques to quantify mature collagen deposition in tissues. Here we have extensively characterized an ex-vivo cultured human lung derived, precision-cut lung slices model (hPCLS) using live fluorescence light microscopy as well as mass spectrometry-based techniques to obtain a proteomic and metabolomic fingerprint. Using an integrated approach of multiple readouts such as quantitative label-free Second Harmonic Generation (SHG) imaging to measure fibrillar collagen in the extracellular matrix and ELISA-based methods to measure soluble ECM biomarkers, we investigated TGFbeta1-mediated pro-fibrotic signalling in hPCLS. We demonstrate that hPCLS are viable and metabolically active with mesenchymal, epithelial, endothelial, and immune cells surviving for at least two weeks in ex vivo culture. Analysis of hPCLS-conditioned supernatants showed strong induction of ECM synthesis proteins P1NP and fibronectin upon TGFb stimulation. Importantly, this effect translated into an increased deposition of fibrillar collagen in ECM of cultured hPCLS as measured by a novel quantitative SHG-based imaging method only following addition of a metalloproteinase inhibitor (GM6001). Together the data show that an integrated approach of measuring soluble pro-fibrotic markers and quantitative SHG-based analysis of fibrillar collagen is a valuable tool for studying pro-fibrotic signalling and testing anti-fibrotic agents.

Abstract Insect biomass is declining across the globe at an alarming rate. Climate change and the widespread use of pesticides have been hypothesized as two underlying drivers. However, the lack of systematic experimental studies across chemicals and species limits our causal understanding of this problem. Here, we employed a chemical library encompassing 1024 different molecules—including insecticides, herbicides, fungicides, and plant growth inhibitors —to investigate how insect populations are affected by varying concentrations of pesticides, focusing on sublethal doses. Using a controlled laboratory pipeline for Drosophila melanogaster , we found that 57% of these chemicals affect the behavior of larvae at sublethal concentrations, and an even higher proportion compromises long-term survivability after acute exposure. Consistent with these results, we observed that exposure to chemicals at doses orders of magnitude below lethality induced widespread phosphorylation changes across the larval proteome. The effects of agrochemicals were amplified when the ambient temperature was increased by four degrees. We also tested the synergistic effects of multiple chemicals at doses found widely in nature and observed fitness-reducing changes in larval developmental time, behavior, and reproduction. Finally, we expanded our investigation to additional fly species, mosquitos, and butterflies and detected similar behavioral alterations triggered by pesticides at sublethal concentrations. Our results provide experimental evidence that strongly suggests sublethal doses of agrochemicals coupled with changes in environmental temperatures are contributing to the global decline in insect populations. We anticipate that our assays can contribute to improving chemical safety assessment, better protect the environment, secure food supplies, and safeguard animal and human health, as well as understand our rapidly changing world.

How tumors arise from individual transformed cells within an intact epithelium is a central, yet unanswered question. Here, we developed a new methodology that combines breast tissue organoids, where oncogenes can be switched on in single cells, with light-sheet imaging that allows us to track cell fates using a big-image-data analysis workflow. The power of this integrated approach is illustrated by our finding that small local groups of transformed cells form tumors while isolated transformed cells do not.

ABSTRACT Virtually all major processes in cells and tissues are regulated by calcium ions (Ca 2+ ). Understanding the influence of Ca 2+ on cell function requires technologies that allow for non-invasive manipulation of intracellular calcium levels including the formation of calcium patterns, ideally in a way that is expandable to intact organisms. The currently existing tools for optical and optogenetic Ca 2+ manipulation are limited with respect to response time, and tissue penetration depth. Here we present G enetically E ncoded C alcium Co ntroller ( GECCO ), a system for thermogenetic Ca 2+ manipulation based on snake TRP channels optically controlled by infrared illumination. GECCO is functional in animal and plant cells and allows studying how cells decode different profiles of Ca 2+ signals. GECCO enabled the shaping of insulin release from β-cells, the identification of drugs that potentiate Ca 2+ -induced insulin release, and the generation of synthetic Ca 2+ signatures in plants.