Abstract In developing tissues, morphogen gradients are thought to initialize gene expression patterns. However, the relationship between the dynamics of morphogen-encoded signals and gene expression decisions are largely unknown. Here we examine the dynamics of the Bone Morphogenetic Protein (BMP) pathway in Drosophila blastoderm-stage embryos. In this tissue, the BMP pathway is highly dynamic: it begins as a broad and weak signal on the dorsal half of the embryo, then 20-30 min later refines into a narrow, intense peak centered on the dorsal midline. This dynamical progression of the BMP signal raises questions of how it stably activates target genes. Therefore, we performed live imaging of the BMP signal and found that dorsal-lateral cells experience only a short transient in BMP signaling, after which the signal is lost completely. Moreover, we measured the transcriptional response of the BMP target gene pannier in live embryos and found it to remain activated in dorsal-lateral cells, even after the BMP signal is lost. Our findings may suggest that the BMP pathway activates a memory, or “ratchet” mechanism that may sustain gene expression.

Abstract In a developing animal, morphogen gradients act to pattern tissues into distinct domains of cell types. However, despite their prevalence in development, morphogen gradient formation is a matter of debate. In our recent publication, we showed that the Dorsal/NF-κB morphogen gradient, which patterns the DV axis of the early Drosophila embryo, is partially established by a mechanism of facilitated diffusion. This mechanism, also known as “shuttling,” occurs when a binding partner of the morphogen facilitates the diffusion of the morphogen, allowing it to accumulate at a given site. In this case, the inhibitor Cactus/IκB facilitates the diffusion of Dorsal/NF-κB. In the fly embryo, we used computation and experiment to not only show that shuttling occurs in the embryo, but also that it enables the viability of embryos that inherit only one copy of dorsal maternally. Here we further discuss our evidence behind the shuttling mechanism, the previous literature data explained by the mechanism, and how it may also be critical for robustness of development. Finally, we describe an interaction between Dorsal and BMP signaling that is likely affected by shuttling.

In developing tissues, morphogen gradients are thought to initialize gene expression patterns. However, the relationship between the dynamics of morphogen-encoded signals and gene expression decisions is largely unknown. Here we examine the dynamics of the Bone Morphogenetic Protein (BMP) pathway in Drosophila blastoderm-stage embryos. In this tissue, the BMP pathway is highly dynamic: it begins as a broad and weak signal on the dorsal half of the embryo, then 20-30 min later refines into a narrow, intense peak centered on the dorsal midline. This dynamical progression of the BMP signal raises questions of how it stably activates target genes. Therefore, we performed live imaging of the BMP signal and found that dorsal-lateral cells experience only a short transient in BMP signaling, after which the signal is lost completely. Moreover, we measured the transcriptional response of the BMP target gene pannier in live embryos and found it to remain activated in dorsal-lateral cells, even after the BMP signal is lost. Our findings may suggest that the BMP pathway activates a memory, or 'ratchet' mechanism that may sustain gene expression.

The anterior-posterior axis of the developing Drosophila melanogaster embryo is patterned by a well-studied gene regulatory network called the Gap Gene Network. This network acts to buffer the developing pattern against noise, thereby minimizing errors in gene expression and preventing patterning defects. In this paper, we sought to discover novel regulatory regions and transcription factors acting in a subset of the Gap network using a selection of wild-caught fly lines derived from the Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP). The fly lines in the DGRP contain subtle genomic differences due to natural variation; we quantified the differences in positioning of gene expression borders of two anterior-poster patterning genes, Krüppel (Kr) and Even-skipped in 13 of the DGRP lines. The differences in the positions of Krüppel and Even-skipped were then correlated to specific single nucleotide polymorphisms and insertions/deletions within the select fly lines. Putative enhancers containing these genomic differences were validated for their ability to produce expression using reporter constructs and analyzed for possible transcription factor binding sites. The identified transcription factors were then perturbed and the resulting Eve and Kr positioning was determined. In this way, we found medea, ultraspiracle, glial cells missing, and orthopedia effect Kr and Eve positioning in subtle ways, while knock-down of pangolin produces significant shifts in Kr and subsequent Eve expression patterns. Most importantly this study points to the existence of many additional novel members that have subtle effects on this system and the degree of complexity that is present in patterning the developing embryo.

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.

Advancements in the field of synthetic biology have been possible due to the development of genetic tools that are able to regulate gene expression. However, the current toolbox of gene regulatory tools for eukaryotic systems have been outpaced by those developed for simple, single-celled systems. Here, we engineered a set of gene regulatory tools by combining self-cleaving ribozymes with various upstream competing sequences that were designed to disrupt ribozyme self-cleavage. As a proof-of-concept, we were able to modulate GFP expression in mammalian cells, and then showed the feasibility of these tools in Drosophila embryos. For each system, the fold-reduction of gene expression was influenced by the location of the self-cleaving ribozyme/upstream competing sequence (i.e. 5’ untranslated region (UTR) vs. 3’UTR) and the competing sequence used. Together, this work provides a set of genetic tools that can be used to tune gene expression across various eukaryotic systems.

The transcription factor NF-κB plays an important role in the immune system as an apoptotic and inflammatory factor. In the Drosophila melanogaster embryo, a homolog of NF-κB called Dorsal (dl) patterns the dorsal-ventral (DV) axis in a concentration-dependent manner. During early development, dl is sequestered outside the nucleus by Cactus (Cact), homologous to IκB. Toll signaling at the ventral midline breaks the dl/Cact complex, allowing dl to enter the nucleus where it transcribes target genes. Here we show that dl accumulates on the ventral side of the embryo over the last 5 cleavage cycles and that this accumulation is the result of facilitated diffusion of dl/Cact complex. We speculate that the predominant role for Cact in DV axis specification is to shuttle dl towards the ventral midline. Given that this mechanism has been found in other, independent systems, we suggest it may be more prevalent than previously thought.

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 these 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.

Abstract The NF-κB signaling pathway is a key regulatory network in mammals that controls many cellular processes, including immunity and inflammation. Of particular note is the relationship between NF-κB and its inhibitor IκBα, which sequesters NF-κB to the cytoplasm of cells until needed. It is also known that IκBα can enter nuclei, disrupt NF-κB binding to DNA, and shuttle it out to again sequester NF-κB in the cytoplasm. In Drosophila melanogaster , a homologous system between the proteins Dorsal (homologous to NF-κB) and Cactus (homologous to IκBα) is important in embryo development, specifically in establishment of the Dorsal nuclear concentration gradient. Previous work suggests Cactus also enters the nucleus; mathematical models of the Dorsal gradient fail to accurately predict the normal range of the gradient without nuclear Cactus. However, direct, in vivo visualization of Cactus spatiotemporal dynamics, including its localization to the nuclei, has been difficult to gather. Previously, imaging Cactus in live embryos was complicated by rapid protein turnover, preventing fluorescent protein fusions from fully maturing. To address this, we used the CRISPR/Cas9 system to tag Cactus with the recently developed “LlamaTag” (LT), a genetically encodable nanobody from llamas that dynamically binds to GFP in vivo . We then employed standard confocal imaging, as well as advanced optical techniques such as raster image correlation spectroscopy (RICS) and fluorescent recovery after photobleaching (FRAP) to investigate the spatiotemporal distribution of Cactus-LlamaTag in Drosophila embryos at the blastoderm stage. Our results demonstrate that Cactus can be found in the nuclei of early embryos, consistent with its role as a transcription factor regulator. Moreover, by using the data from FRAP and RICS, we were able to estimate biophysical parameters of Cactus dynamics in vivo , including its nuclear transport rate constants and fraction bound to GFP. These data were further used to constrain a mathematical model that allowed us to infer experimentally inaccessible biophysical parameters, such as the concentration of Cact protein and the dissociation constant of LT and GFP. Our study provides new insights into the regulation of the NF-κB pathway in early Drosophila embryos and highlights the power of advanced optical techniques for investigating complex biological dynamics.

Summary Gene regulation by transcription factors (TFs) binding cognate sequences is of paramount importance in development and homeostasis 1–3 . However, quantitative dose/response relationships between bulk TF concentration and the DNA binding, an event tied to transcriptional activity, remain elusive. Here, we map these relationships during a crucial step in metazoan development: the transcriptional activation of the zygotic genome. In Drosophila , zygotic genome activation (ZGA) begins with the transcription of a handful of genes during the minor wave of ZGA, followed by the major wave when thousands of genes are transcribed 4–7 . The TF Zelda (Zld) has the ability to bind nucleosomal DNA 8,9 and subsequently to facilitate the binding of other TFs 10–16 : the two defining features of a special class of TFs known as pioneer factors 17–19 . The maternally encoded TF GAGA factor (GAF) also possesses pioneer-like properties 13,14,20–23 . To map the dose/response relationship between nuclear concentration and DNA binding, we performed raster image correlation spectroscopy, a method that can measure concentration and binding of fluorescent molecules 24–29 . We found that, although Zld concentration increases over time, its DNA binding in the transcriptionally active regions decreases, consistent with its function as an activator for early genes. In contrast, GAF DNA binding is nearly linear with its concentration, which sharply increases during the major wave, implicating it in the major wave. This study provides key insights into the properties of the two factors and puts forward a quantitative approach that can be used for other TFs to study transcriptional regulation.