twist and snail are members of the helix-loop-helix and zinc-finger protein families, respectively, and determine the development of the mesoderm in Drosophila. This paper analyzes their role in mesoderm development by examining how they affect the expression of downstream genes. twist and snail act by regulating gene expression in the mesoderm and in neighboring regions, and have distinct roles in this process. snail prevents expression in the mesoderm of genes that are destined to be active only in more lateral or dorsal regions. twist is required for the activation of downstream mesodermal genes. twist is also required for the full expression of snail and for the maintenance of its own expression. Only the absence of both twist and snail results in the complete loss of all mesodermal characteristics.

The first morphogenetic movement during Drosophila development is the invagination of the mesoderm, an event that folds a one-layered epithelium into a multilayered structure. In this paper, we describe the shape changes and behaviour of the cells participating in this process and show how mutations that change cell fate affect this behaviour. We divide the formation of the mesodermal germ layer into two phases. During the first phase, the ventral epithelium folds into a tube by a series of concerted cell shape changes (ventral furrow formation). Based on the behaviour of cells in this phase, we conclude that the prospective mesoderm is not a homogeneous cell population, but consists of two subpopulations. Each subpopulation goes through a distinctive sequence of specific cell shape changes which together mediate the invagination of the ventral furrow. In the second phase, the invaginated tube of mesoderm loses its epithelial character, the mesoderm cells disperse, divide and then spread out along the ectoderm to form a single cell layer. To test how ventral furrow formation depends on cell fates in the mesoderm and in neighbouring cells we alter these fates genetically using maternal and zygotic mutations. These experiments show that some of the aspects of cell behaviour specific for ventral furrow cells are part of an autonomous differentiation programme. The force driving the invagination is generated within the region of the ventral furrow, with the lateral and dorsal cell populations contributing little or none of the force. Two known zygotic genes that are required for the formation of the mesoderm, twist and snail, are expressed in ventral furrow cells, and the correct execution of cell shape changes in the mesoderm depends on both. Finally, we show that the region where the ventral furrow forms is determined by the expression of mesoderm-specific genes, and not by mechanical or other epigenetic properties of the egg.

The zebrafish has become a widely used model to study disease resistance and immunity. Although the genes encoding many components of immune signaling pathways have been found in teleost fish, it is not clear whether all components are present or whether the complexity of the signaling mechanisms employed by mammals is similar in fish. We searched the genomes of the zebrafish Danio rerio and two pufferfish for genes encoding components of the Toll-like receptor and interferon signaling pathways, the NLR (NACHT-domain and leucine rich repeat containing) protein family, and related proteins. We find that most of the components known in mammals are also present in fish, with clearly recognizable orthologous relationships. The class II cytokines and their receptors have diverged extensively, obscuring orthologies, but the number of receptors is similar in all species analyzed. In the family of the NLR proteins, the canonical members are conserved. We also found a conserved NACHT-domain protein with WD40 repeats that had previously not been described in mammals. Additionally, we have identified in each of the three fish a large species-specific subgroup of NLR proteins that contain a novel amino-terminal domain that is not found in mammalian genomes. The main innate immune signaling pathways are conserved in mammals and teleost fish. Whereas the components that act downstream of the receptors are highly conserved, with orthologous sets of genes in mammals and teleosts, components that are known or assumed to interact with pathogens are more divergent and have undergone lineage-specific expansions.

The Rho GTPases mediate actin rearrangements that are likely to be required for the numerous cell shape changes in a developing embryo. In a genetic screen for Rho signaling pathway components in Drosophila, we identified a gene, DRhoGEF2, that encodes a predicted Rho-specific guanine nucleotide exchange factor. Embryos lacking DRhoGEF2 fail to gastrulate due to a defect in cell shape changes required for tissue invagination, and expression of a dominant-negative Rho GTPase in early embryos results in similar defects. Evidence is also presented that DRhoGEF2 mediates these specific cell shape changes in response to the extracellular ligand, Fog. Together, these results establish a Rho-mediated signaling pathway that is essential for the major morphogenetic events in Drosophila gastrulation.

A hallmark of epithelial invagination is the constriction of cells on their apical sides. During Drosophila gastrulation, apical constrictions under the control of the transcription factor Twist lead to the invagination of the mesoderm. Twist-controlled G protein signaling is involved in mediating the invagination but is not sufficient to account for the full activity of Twist. We identified a Twist target, the transmembrane protein T48, which acts in conjunction with G protein signaling to orchestrate shape changes. Together with G protein signaling, T48 recruits adherens junctions and the cytoskeletal regulator RhoGEF2 to the sites of apical constriction, ensuring rapid and intense changes in cell shape.

Abstract Morphogenesis of an organism requires the development of its parts to be coordinated in time and space. While past studies concentrated on defined cell populations, a synthetic view of the coordination of these events in a whole organism is needed for a full understanding. Drosophila gastrulation begins with the embryo forming a ventral furrow, which is eventually internalized. It is not understood how the rest of the embryo participates in this process. Here we use multiview selective plane illumination microscopy coupled with infrared laser manipulation and mutant analysis to dissect embryo-scale cell interactions during early gastrulation. Lateral cells have a denser medial–apical actomyosin network and shift ventrally as a compact cohort, whereas dorsal cells become stretched. We show that the behaviour of these cells affects furrow internalization. A computational model predicts different mechanical properties associated with tissue behaviour: lateral cells are stiff, whereas dorsal cells are soft. Experimental analysis confirms these properties in vivo .

Abstract Cytoskeletal networks of actin filaments and myosin motors drive many dynamic cell processes. A key characteristic of these networks is their contractility. Despite intense experimental and theoretical efforts, it is not clear what mechanism favors network contraction over expansion. Recent work points to a dominant role for the nonlinear mechanical response of actin filaments, which can withstand stretching but buckle upon compression. Here we present an alternative mechanism. We study how interactions between actin and myosin-2 at the single filament level translate into contraction at the network scale by performing time-lapse imaging on reconstituted quasi-2D-networks mimicking the cell cortex. We observe myosin end-dwelling after it runs processively along actin filaments. This leads to transport and clustering of actin filament ends and the formation of transiently stable bipolar structures. Further we show that myosin-driven polarity sorting leads to polar actin aster formation, which act as contractile nodes that drive contraction in crosslinked networks. Computer simulations comparing the roles of the end-dwelling mechanism and a buckling-dependent mechanism show that the relative contribution of end-dwelling contraction increases as the network mesh-size decreases.

Abstract Targeted and specific induction of cell death in individual or groups of cells holds the potential for new insights into the response of tissues or organisms to different forms of death. Here we report the development of optogenetically-controlled cell death effectors (optoCDEs), a novel class of optogenetic tools that enables light-mediated induction of three types of programmed cell death (PCD) – apoptosis, pyroptosis and necroptosis – using Arabidopsis thaliana photosensitive protein Cryptochrome2. OptoCDEs enable rapid and highly specific induction of PCD in human, mouse and zebrafish cells and are suitable for a wide range of applications, such as sub-lethal cell death induction or precise elimination of single cells or cell populations in vitro and in vivo . As the proof-of-concept, we utilize optoCDEs to assess the differences in the neighboring cell response to apoptotic or necrotic PCD, revealing a new role for shingosine-1-phosphate signaling in regulating the efferocytosis of apoptotic cell by epithelia.

Abstract The intrinsic genetic programme of a cell is not sufficient to explain all of the cell’s activities. External mechanical stimuli are increasingly recognized as determinants of cell behaviour. In the epithelial folding event that constitutes the beginning of gastrulation in Drosophila , the genetic programme of the future mesoderm leads to the establishment of a contractile actomyosin network that triggers apical constriction of cells, and thereby, tissue folding. However, some cells do not constrict but instead stretch, even though they share the same genetic programme as their constricting neighbours. We show here that tissue-wide interactions force these cells to expand even when an otherwise sufficient amount of apical, active actomyosin is present. Models based on contractile forces and linear stress-strain responses do not reproduce experimental observations, but simulations in which cells behave as ductile materials with non-linear mechanical properties do. Our models show that this behaviour is a general emergent property of actomyosin networks [in a supracellular context, in accordance with our experimental observations of actin reorganisation within stretching cells.

Brillouin microscopy (BM) can be used to assess the mechanical properties of biological samples in a 3D, all-optical, and hence non-contact fashion, but its weak signals require long imaging times and illumination dosages harmful to living organisms. Here, we present a line-scanning Brillouin microscope optimized for fast and high-resolution live-imaging of dynamic biological processes with low photo-toxicity. In combination with fluorescence light-sheet imaging, we demonstrate the capabilities of our microscope to visualize the mechanical properties of cells and tissues over space and time in living model organisms such as fruit flies, ascidians, and mouse embryos.