Abstract Cytoskeletal structure and force generation within cells must be carefully regulated as the developing organ grows to reach a final size and shape. However, how the complex regulation of multiple features of tissue architecture is simultaneously coordinated remains poorly understood. Through iterations between experiments and novel computational multi-scale model simulations, we investigate the combined regulation of cytoskeletal regulation and proliferation in the growing wing imaginal disc. First, we found through experiments and calibrated model simulations that the local curvature and nuclear positioning of cells in the growing wing disc are defined by patterning of nested spatial domains of peaks in apical and basal contractility. Additionally, predictions from model simulations that incorporate a mechanistic description of interkinetic nuclear migration demonstrate that cell proliferation increases the local basal curvature of the wing disc. This is confirmed experimentally as basal curvature increases when growth and proliferation are increased through insulin signaling. In surprising contrast, we experimentally found that Decapentaplegic (Dpp), the key morphogen involved in both growth control and patterning of the anterior-posterior axis, counteracts increases in tissue bending due to cell proliferation via a combined mechanism that balances the competing impacts of both proliferation and patterning of cell contractility. Overall, the high conservation of these regulatory interactions suggests an important balancing mechanism through dual regulation of proliferation and cytoskeleton to meet the multiple criteria defining tissue morphogenesis.

Summary Phenomics requires quantification of large volumes of image data, necessitating high throughput image processing approaches. Existing image processing pipelines for Drosophila wings, a powerful model for studying morphogenesis, are limited in speed, versatility, and precision. To overcome these limitations, we developed MAPPER, a fully-automated machine learning-based pipeline that quantifies high dimensional phenotypic signatures, with each dimension representing a unique morphological feature. MAPPER magnifies the power of Drosophila genetics by rapidly identifying subtle phenotypic differences in sample populations. To demonstrate its widespread utility, we used MAPPER to reveal new insights connecting patterning and growth across Drosophila genotypes and species. The morphological features extracted using MAPPER identified the presence of a uniform scaling of proximal-distal axis length across four different species of Drosophila . Observation of morphological features extracted by MAPPER from Drosophila wings by modulating insulin signaling pathway activity revealed the presence of a scaling gradient across the anterior-posterior axis. Additionally, batch processing of samples with MAPPER revealed a key function for the mechanosensitive calcium channel, Piezo, in regulating bilateral symmetry and robust organ growth. MAPPER is an open source tool for rapid analysis of large volumes of imaging data. Overall, MAPPER provides new capabilities to rigorously and systematically identify genotype-to-phenotype relationships in an automated, high throughput fashion. Graphical abstract

Mechanosensitive Piezo channels regulate cell division, cell extrusion, and cell death. However, systems-level functions of Piezo in regulating organogenesis remain poorly understood. Here, we demonstrate that Piezo controls epithelial cell topology to ensure precise organ growth by integrating live-imaging experiments with pharmacological and genetic perturbations and computational modeling. Notably, the knockout or knockdown of Piezo increases bilateral asymmetry in wing size. Piezo's multifaceted functions can be deconstructed as either autonomous or non-autonomous based on a comparison between tissue-compartment-level perturbations or between genetic perturbation populations at the whole-tissue level. A computational model that posits cell proliferation and apoptosis regulation through modulation of the cutoff tension required for Piezo channel activation explains key cell and tissue phenotypes arising from perturbations of Piezo expression levels. Our findings demonstrate that Piezo promotes robustness in regulating epithelial topology and is necessary for precise organ size control.

Abstract Mechanosensitive Piezo channels regulate cell division through calcium-mediated activation of ERK signaling or activate Rho signaling to mediate cell extrusion and cell death. However, systems-level functions of Piezo in regulating organogenesis remain poorly understood. Here, we demonstrate that Piezo controls epithelial cell topology to ensure precise organ growth through the integration of live imaging experiments with pharmacological and genetic perturbations and computational modeling. Notably, knockout or knockdown of Piezo led to bilateral asymmetry in wing phenotypes. While pharmacological activation of Piezo stimulated an increase in the frequency of spikes in cytosolic Ca 2+ , we discovered that Piezo overexpression counterintuitively reduces Ca 2+ signaling dynamics. Knockdown of Piezo inhibited proliferation and decreased apoptosis, resulting in an overall increase in epithelial overcrowding. In contrast, either genetic overexpression or pharmacological activation of Piezo increased cell proliferation and cell removal through basal extrusion. Surprisingly, Piezo overexpression increased the hexagonality of cellular topology. To test whether Piezo regulates cell topology, we formulated computational simulations to investigate how expression levels of Piezo protein regulate cell proliferation and apoptosis through modulation of the cut-off tension required for Piezo channel activation. Quantitative analysis validated computational simulation predictions of how perturbations to Piezo impacted epithelial topology. Overall, our findings demonstrate that Piezo promotes robustness in regulating epithelial topology and is necessary for precise organ size control.

Abstract The development of multicellular organisms relies on a symphony of spatiotemporally coordinated signals that regulate gene expression. G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest group of transmembrane receptors that play a pivotal role in transducing extracellular signals into physiological outcomes. Emerging research has implicated neurotransmitter GPCRs, classically associated with communication in neuronal tissues, as regulators of pattern formation and morphogenesis. However, how these receptors interact amongst themselves and signaling pathways to regulate organogenesis is still poorly understood. To address this gap, we performed a systematic RNA interference (RNAi)-based screening of 111 GPCRs along with 8 G α , 3 G β , and 2 G γ protein subunits in Drosophila melanogaster . We performed a coupled, machine learning-based quantitative and qualitative analysis to identify both severe and more subtle phenotypes. Of the genes screened, 25 demonstrated at least 60% penetrance of severe phenotypes with several of the most severe phenotypes resulting from the knockdown of neuropeptide and neurotransmitter GPCRs that were not known previously to regulate epithelial morphogenesis. Phenotypes observed in positive hits mimic phenotypic manifestations of diseases caused by dysregulation of orthologous human genes. Quantitative reverse transcription polymerase chain reaction and meta-analysis of RNA expression validated positive hits. Overall, the combined qualitative and quantitative characterization of GPCRs and G proteins identifies an extensive set of GPCRs involved in regulating epithelial morphogenesis and relevant to the study of a broad range of human diseases.

Abstract Morphogenetic programs direct the cell signaling and nonlinear mechanical interactions between multiple cell types and tissue layers to define organ shape and size. A key challenge for systems and synthetic biology is determining optimal combinations of intra- and inter-cellular interactions to predict an organ’s shape, size, and function. Physics-based mechanistic models that define the subcellular force distribution facilitate this, but it is extremely challenging to calibrate parameters in these models from data. To solve this inverse problem, we created a Bayesian optimization framework to determine the optimal cellular force distribution such that the predicted organ shapes match the desired organ shapes observed within the experimental imaging data. This integrative framework employs Gaussian Process Regression (GPR), a non-parametric kernel-based probabilistic machine learning modeling paradigm, to learn the mapping functions relating to the morphogenetic programs that generate and maintain the final organ shape. We calibrated and tested the method on cross-sections of Drosophila wing imaginal discs, a highly informative model organ system, to study mechanisms that regulate epithelial processes that range from development to cancer. As a specific test case, the parameter estimation framework successfully infers the underlying changes in core parameters needed to match simulation data with time series imaging data of wing discs perturbed with collagenase. Unexpectedly, the framework also identifies multiple distinct parameter sets that generate shapes similar to wild-type organ shapes. This platform enables an efficient, global sensitivity analysis to support the necessity of both actomyosin contractility and basal ECM stiffness to generate and maintain the curved shape of the wing imaginal disc. The optimization framework, combined with fixed tissue imaging, identified that Piezo, a mechanosensitive ion channel, impacts fold formation by regulating the apical-basal balance of actomyosin contractility and elasticity of ECM. This framework is extensible toward reverse-engineering the morphogenesis of any organ system and can be utilized in real-time control of complex multicellular systems.

Abstract Background G proteins mediate cell responses to various ligands and play key roles in organ development. Dysregulation of G-proteins or Ca 2+ signaling impacts many human diseases and results in birth defects. However, the downstream effectors of specific G proteins in developmental regulatory networks are still poorly understood. Methods We employed the Gal4/UAS binary system to inhibit or overexpress Gαq in the wing disc, followed by phenotypic analysis. Immunohistochemistry and next-gen RNA sequencing identified the downstream effectors and the signaling cascades affected by the disruption of Gαq homeostasis. Results Here, we characterized how the G protein subunit Gαq tunes the size and shape of the wing in the larval and adult stages of development. Downregulation of Gαq in the wing disc reduced wing growth and delayed larval development. Gαq overexpression is sufficient to promote global Ca 2+ waves in the wing disc with a concomitant reduction in the Drosophila final wing size and a delay in pupariation. The reduced wing size phenotype is further enhanced when downregulating downstream components of the core Ca 2+ signaling toolkit, suggesting that downstream Ca 2+ signaling partially ameliorates the reduction in wing size. In contrast, Gαq -mediated pupariation delay is rescued by inhibition of IP 3 R, a key regulator of Ca 2+ signaling. This suggests that Gαq regulates developmental phenotypes through both Ca 2+ -dependent and Ca 2+ -independent mechanisms. RNA seq analysis shows that disruption of Gαq homeostasis affects nuclear hormone receptors, JAK/STAT pathway, and immune response genes. Notably, disruption of Gαq homeostasis increases expression levels of Dilp8, a key regulator of growth and pupariation timing. Conclusion Gαq activity contributes to cell size regulation and wing metamorphosis. Disruption to Gαq homeostasis in the peripheral wing disc organ delays larval development through ecdysone signaling inhibition. Overall, Gαq signaling mediates key modules of organ size regulation and epithelial homeostasis through the dual action of Ca 2+ -dependent and independent mechanisms.

Epithelial sheets play important roles in defining organ architecture during development. Here, we employed an iterative experimental and multi-scale computational modeling approach to decouple direct and indirect effects of actomyosin-generated forces, nuclear positioning, extracellular matrix (ECM), and cell-cell adhesion in shaping Drosophila wing imaginal discs, a powerful system for elucidating general principles of epithelial morphogenesis. Basally generated actomyosin forces are found to regulate apically biased nuclear positioning and are required for generating epithelial bending and cell elongation of the wing disc pouch. Surprisingly, however, short-term pharmacological inhibition of ROCK-driven actomyosin contractility does not impact the maintenance of tissue height or curved shape. In comparison, the relative tautness of the extracellular basement membrane is also patterned between regions of the wing disc. However, computational simulations show that patterning of ECM tautness provides only a minor contribution to modulating tissue shape. Instead, the buildup of a passive ECM pre-strain serves a principle role in shape maintenance. Surprisingly, this is independent from the maintenance of actomyosin contractility. Furthermore, apical adhesion between the two cell layers within the wing disc was shown to require ROCK-driven actomyosin activity in the absence of the basal extracellular matrix. This apical adhesion between the two cell layers provides additional mechanical support to help maintain tissue integrity. The combined experimental and computational approach provides general insight into how the subcellular forces are generated and maintained within individual cells to induce tissue curvature and suggests an important design principle of epithelial organogenesis whereby forces generated by actomyosin followed by maintenance as pre-strain within the ECM are interconnected, but functionally separable.