Abstract Recently, organ-scale intercellular Ca 2+ transients (ICTs) were reported in the Drosophila wing disc. However, the functional in vivo significance of ICTs remains largely unknown. Here we demonstrate the in vivo relevance of intercellular Ca 2+ signaling and its impact on wing development. We report that Ca 2+ signaling in vivo decreases as wing discs mature. Ca 2+ signaling ex vivo responds to fly extract in a dose-dependent manner. This suggests ICTs occur in vivo due to chemical stimulus that varies in concentration during development. RNAi mediated inhibition of genes required for ICTs results in defects in the size, shape, and vein patterning of adult wings. It also leads to reduction or elimination of in vivo Ca 2+ transients. Further, perturbations to the extracellular matrix along the basal side of the wing disc stimulates intercellular Ca 2+ waves. This is the first identified chemically defined, non-wounding stimulus of ICTs. Together, these results point toward specific in vivo functions of intercellular Ca 2+ signaling to mediate mechanical stress dissipation and ensure robust patterning during development.

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.

Abstract Information flow within and between cells depends in part on calcium (Ca 2+ ) signaling dynamics. However, the biophysical mechanisms that govern emergent patterns of Ca 2+ signaling dynamics at the organ level remain elusive. Recent experimental studies in developing Drosophila wing imaginal discs demonstrate the emergence of four distinct patterns of Ca 2+ activity: Ca 2+ spikes, intercellular Ca 2+ transients, tissue-level Ca 2+ waves, and a global “fluttering” state. Here, we used a combination of computational modeling and experimental approaches to identify two different populations of cells within tissues that are connected by gap junctional proteins. We term these two subpopulations “initiator cells” defined by elevated levels of Phospholipase C (PLC) activity and “standby cells,” which exhibit baseline activity. We found that the strength of hormonal stimulation and extent of gap junctional communication jointly determine the predominate class of Ca 2+ signaling activity. Further, single-cell Ca 2+ spikes are stimulated by insulin, while intercellular Ca 2+ waves depend on Gαq activity. Our computational model successfully recapitulates how the dynamics of Ca 2+ transients varies during organ growth. Phenotypic analysis of perturbations to Gαq and insulin signaling support an integrated model of cytoplasmic Ca 2+ as a dynamic reporter of overall tissue growth. Further, we show that perturbations to Ca 2+ signaling tune the final size of organs. This work provides a platform to further study how organ size regulation emerges from the crosstalk between biochemical growth signals and heterogeneous cell signaling states. Author Summary Calcium (Ca 2+ ) is a universal second messenger that regulates a myriad of cellular processes such as cell division, cell proliferation and apoptosis. Multiple patterns of Ca 2+ signaling including single cell spikes, multicellular Ca 2+ transients, large-scale Ca 2+ waves, and global “fluttering” have been observed in epithelial systems during organ development. Key molecular players and biophysical mechanisms involved in formation of these patterns during organ development are not well understood. In this work, we developed a generalized multicellular model of Ca 2+ that captures all the key categories of Ca 2+ activity as a function of key hormonal signals. Integration of model predictions and experiments reveals two subclasses of cell populations and demonstrates that Ca 2+ signaling activity at the organ scale is defined by a general decrease in gap junction communication as organ growth. Our experiments also reveal that a “goldilocks zone” of optimal Ca 2+ activity is required to achieve optimal growth at the organ level.

Embryogenesis is an extraordinarily robust process, exhibiting the ability to control tissue size and repair patterning defects in the face of environmental and genetic perturbations. The size and shape of a developing tissue is a function of the number and size of its constituent cells as well as their geometric packing. How these cellular properties are coordinated at the tissue level to ensure developmental robustness remains a mystery; understanding this process requires studying multiple concurrent processes that make up morphogenesis, including the spatial patterning of cell fates and apoptosis, as well as cell intercalations. In this work, we develop a computational model that aims to understand aspects of the robust pattern repair mechanisms of the Drosophila embryonic epidermal tissues. Size control in this system has previously been shown to rely on the regulation of apoptosis rather than proliferation; however, to date little work has been done to understand the role of cellular mechanics in this process. We employ a vertex model of an embryonic segment to test hypotheses about the emergence of this size control. Comparing the model to previously published data across wild type and genetic perturbations, we show that passive mechanical forces suffice to explain the observed size control in the posterior (P) compartment of a segment. However, observed asymmetries in cell death frequencies across the segment are demonstrated to require patterning of cellular properties in the model. Finally, we show that distinct forms of mechanical regulation in the model may be distinguished by differences in cell shapes in the P compartment, as quantified through experimentally accessible summary statistics, as well as by the tissue recoil after laser ablation experiments.

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

Mitotic rounding during cell division is critical for preventing daughter cells from inheriting an abnormal number of chromosomes, a condition that occurs frequently in cancer cells. Cells must significantly expand their apical area and transition from a polygonal to circular apical shape to achieve robust mitotic rounding in epithelial tissues, which is where most cancers initiate. However, how cells mechanically regulate robust mitotic rounding within packed tissues is unknown. Here, we analyze mitotic rounding using a newly developed multi-scale subcellular element computational model that is calibrated using experimental data. Novel biologically relevant features of the model include separate representations of the sub-cellular components including the apical membrane and cytoplasm of the cell at the tissue scale level as well as detailed description of cell properties during mitotic rounding. Regression analysis of predictive model simulation results reveals the relative contributions of osmotic pressure, cell-cell adhesion and cortical stiffness to mitotic rounding. Mitotic area expansion is largely driven by regulation of cytoplasmic pressure. Surprisingly, mitotic shape roundness within physiological ranges is most sensitive to variation in cell-cell adhesivity and stiffness. An understanding of how perturbed mechanical properties impact mitotic rounding has important potential implications on, amongst others, how tumors progressively become more genetically unstable due to increased chromosomal aneuploidy and more aggressive.

Organ development is driven by a set of patterned inductive signals. However, how these signals are integrated to coordinate tissue patterning is still poorly understood. Calcium ions (Ca2+) are critical signaling components involved in signal integration and are regulated by a core Ca2+ signaling toolkit. Ca2+ signaling encodes a significant fraction of information in cells through both amplitude and frequency-dependent regulation of transcription factors and key regulatory enzymes. A range of intercellular Ca2+ transients, including coordinated oscillations, recently have been reported in Drosophila wing discs. In an accompanying paper, we show that impaired Ca2+ signaling impacts the final size and shape of the wing. Here, we discover specific spatiotemporal signatures of Ca2+ transients during wing disc development. To do so, we developed a new neural-network-based approach for registration of oscillatory signals in organs that frequently move during imaging, and a pipeline for spatiotemporal analysis of intercellular Ca2+ oscillations. As a specific test case, we further demonstrated that the morphogen pathway, Hedgehog, controls frequencies of Ca2+ oscillations uniformly in the tissue and is required for spatial patterning of oscillation amplitudes. Thus, the time-averaged dynamics of spontaneous intercellular Ca2+ transients reflect the morphogenetic signaling state of the tissue during development. This suggests a general mechanism of physiological signaling that provides a memory of morphogenetic patterns. Additionally, our study provides a powerful approach for registering and quantifying oscillatory dynamics in developing organs.

Throughout development, complex networks of cell signaling pathways drive cellular decision-making across different tissues and contexts. The transforming growth factor β (TGF-β) pathways, including the BMP/Smad pathway, play crucial roles in determining cellular responses. However, as the Smad pathway is used reiteratively throughout the life cycle of all animals, its systems-level behavior varies from one context to another, despite the pathway connectivity remaining nearly constant. For instance, some cellular systems require a rapid response, while others require high noise filtering. In this paper, we examine how the BMP-Smad pathway balances trade-offs among three such systems-level behaviors, or "Performance Objectives (POs)": response speed, noise amplification, and the sensitivity of pathway output to receptor input. Using a Smad pathway model fit to human cell data, we show that varying non-conserved parameters (NCPs) such as protein concentrations, the Smad pathway can be tuned to emphasize any of the three POs and that the concentration of nuclear phosphatase has the greatest effect on tuning the POs. However, due to competition among the POs, the pathway cannot simultaneously optimize all three, but at best must balance trade-offs among the POs. We applied the multi-objective optimization concept of the Pareto Front, a widely used concept in economics to identify optimal trade-offs among various requirements. We show that the BMP pathway efficiently balances competing POs across species and is largely Pareto optimal. Our findings reveal that varying the concentration of NCPs allows the Smad signaling pathway to generate a diverse range of POs. This insight identifies how signaling pathways can be optimally tuned for each context.

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.