Double-slit electron interferometers fabricated in high mobility two-dimensional electron gases are powerful tools for studying coherent wave-like phenomena in mesoscopic systems. However, they suffer from low visibility of the interference patterns due to the many channels present in each slit, and from poor sensitivity to small currents due to their open geometry. Moreover, these interferometers do not function in high magnetic fields--such as those required to enter the quantum Hall effect regime--as the field destroys the symmetry between left and right slits. Here we report the fabrication and operation of a single-channel, two-path electron interferometer that functions in a high magnetic field. This device is the first electronic analogue of the optical Mach-Zehnder interferometer, and opens the way to measuring interference of quasiparticles with fractional charges. On the basis of measurements of single edge state and closed geometry transport in the quantum Hall effect regime, we find that the interferometer is highly sensitive and exhibits very high visibility (62%). However, the interference pattern decays precipitously with increasing electron temperature or energy. Although the origin of this dephasing is unclear, we show, via shot-noise measurements, that it is not a decoherence process that results from inelastic scattering events.

The Notch–Delta signal transduction pathway is critical for many processes in development and disease, with a particular role in generating distinct cell fates among groups of initially equivalent cells and sharply defining neighbouring regions in developing tissues. Recent research has provided an increasingly comprehensive list of components and molecular interactions underlying Notch signalling, without revealing how these two proteins lead to clear cell-fate decisions. Sprinzak et al. use quantitative time-lapse microscopy to show that Notch levels in a given cell are ultrasensitive to the amount of Delta present at the surface of the same cell — as opposed to that exposed by its neighbours. This abrupt molecular switch means that a cell becomes exclusively a sender of Delta signalling (with high Delta and low Notch) or a receiver (vice versa). Numerical modelling shows how this new design principle enhances the sharpness of developmental boundaries set by classical lateral inhibition. Notch and Delta are transmembrane proteins that allow neighbouring cells to communicate during development. Here, quantitative time-lapse microscopy has been used to show that the response of Notch to Delta on a neighbouring cell is graded, whereas its response to Delta on the same cell is sharp and occurs at a fixed threshold. A mathematical model explores how this new design principle enhances the sharpness of developmental boundaries set by classical lateral inhibition. The Notch–Delta signalling pathway allows communication between neighbouring cells during development1. It has a critical role in the formation of ‘fine-grained’ patterns, generating distinct cell fates among groups of initially equivalent neighbouring cells and sharply delineating neighbouring regions in developing tissues2,3,4,5. The Delta ligand has been shown to have two activities: it transactivates Notch in neighbouring cells and cis-inhibits Notch in its own cell. However, it remains unclear how Notch integrates these two activities and how the resulting system facilitates pattern formation. Here we report the development of a quantitative time-lapse microscopy platform for analysing Notch–Delta signalling dynamics in individual mammalian cells, with the aim of addressing these issues. By controlling both cis- and trans-Delta concentrations, and monitoring the dynamics of a Notch reporter, we measured the combined cis–trans input–output relationship in the Notch–Delta system. The data revealed a striking difference between the responses of Notch to trans- and cis-Delta: whereas the response to trans-Delta is graded, the response to cis-Delta is sharp and occurs at a fixed threshold, independent of trans-Delta. We developed a simple mathematical model that shows how these behaviours emerge from the mutual inactivation of Notch and Delta proteins in the same cell. This interaction generates an ultrasensitive switch between mutually exclusive sending (high Delta/low Notch) and receiving (high Notch/low Delta) signalling states. At the multicellular level, this switch can amplify small differences between neighbouring cells even without transcription-mediated feedback. This Notch–Delta signalling switch facilitates the formation of sharp boundaries and lateral-inhibition patterns in models of development, and provides insight into previously unexplained mutant behaviours.

The Notch signaling pathway comprises multiple ligands that are used in distinct biological contexts. In principle, different ligands could activate distinct target programs in signal-receiving cells, but it is unclear how such ligand discrimination could occur. Here, we show that cells use dynamics to discriminate signaling by the ligands Dll1 and Dll4 through the Notch1 receptor. Quantitative single-cell imaging revealed that Dll1 activates Notch1 in discrete, frequency-modulated pulses that specifically upregulate the Notch target gene Hes1. By contrast, Dll4 activates Notch1 in a sustained, amplitude-modulated manner that predominantly upregulates Hey1 and HeyL. Ectopic expression of Dll1 or Dll4 in chick neural crest produced opposite effects on myogenic differentiation, showing that ligand discrimination can occur in vivo. Finally, analysis of chimeric ligands suggests that ligand-receptor clustering underlies dynamic encoding of ligand identity. The ability of the pathway to utilize ligands as distinct communication channels has implications for diverse Notch-dependent processes.

Endothelial cells (ECs) provide angiocrine factors orchestrating tumor progression. Here, we show that activated Notch1 receptors (N1ICD) are frequently observed in ECs of human carcinomas and melanoma, and in ECs of the pre-metastatic niche in mice. EC N1ICD expression in melanoma correlated with shorter progression-free survival. Sustained N1ICD activity induced EC senescence, expression of chemokines and the adhesion molecule VCAM1. This promoted neutrophil infiltration, tumor cell (TC) adhesion to the endothelium, intravasation, lung colonization, and postsurgical metastasis. Thus, sustained vascular Notch signaling facilitates metastasis by generating a senescent, pro-inflammatory endothelium. Consequently, treatment with Notch1 or VCAM1-blocking antibodies prevented Notch-driven metastasis, and genetic ablation of EC Notch signaling inhibited peritoneal neutrophil infiltration in an ovarian carcinoma mouse model.

SUMMARY Neural stem cell (NSC) populations persist in the adult vertebrate brain over a life time, and their homeostasis is controlled at the population level. The nature and properties of these coordination mechanisms remain unknown. Here we combine dynamic imaging of entire NSC populations in their in vivo niche over weeks, pharmacological manipulations, mathematical modeling and spatial statistics, and demonstrate that NSCs use spatiotemporally resolved local feedbacks to coordinate their decision to divide. These involve a Notch-mediated inhibition from transient neural progenitors, and a dispersion effect from dividing NSCs themselves, exerted with a delay of 9-12 days. Simulations from a stochastic NSC lattice model capturing these interactions demonstrate that they are linked by lineage progression and control the spatiotemporal distribution of output neurons. These results highlight how local and temporally delayed interactions occurring between brain germinal cells generate self-propagating dynamics that maintain NSC population homeostasis with specific spatiotemporal correlations.

Mind bomb 1 (MIB1) is a RING E3 ligase that ubiquitinates Notch ligands, a necessary step for induction of Notch signaling. The structural basis for binding of the JAG1 ligand by the N-terminal region of MIB1 is known, yet how the ankyrin (ANK) and RING domains of MIB1 cooperate to catalyze ubiquitin transfer from E2~Ub to Notch ligands remains unclear. Here, we show that the third RING domain and adjacent coiled coil region of MIB1 (ccRING3) drives MIB1 dimerization and that ubiquitin transfer activity of MIB1 relies solely on RING3. We report x-ray crystal structures of a UbcH5B-ccRING3 complex as a fusion protein and of the ANK region. Directly tethering the N-terminal region to ccRING3 forms a minimal MIB1 protein, which is sufficient to induce a Notch response in receiver cells. Together, these studies define the functional elements of an E3 ligase needed for ligands to induce a Notch signaling response.

SUMMARY Notch pathway haploinsufficiency can cause severe developmental syndromes with highly variable penetrance. Currently, we have a limited mechanistic understanding of phenotype variability due to gene dosage. Here, we show that inserting a single enhancer containing pioneer transcription factor sites coupled to Notch dimer sites can unexpectedly induce a subset of Drosophila Notch haploinsufficiency phenotypes in an animal with wild type Notch gene dose. Mechanistically, this enhancer couples Notch DNA binding to degradation in a Cdk8-dependent, transcription-independent manner. Using mathematical modeling combined with quantitative trait and expression analysis, we show that tissues requiring long duration Notch signals are more sensitive to perturbations in Notch degradation compared to tissues relying upon short duration processes. These findings support a novel “bind and discard” mechanism in which enhancers with specific binding sites promote rapid Notch turnover, reduce Notch-dependent transcription at other loci, and thereby sensitize tissues to gene dose based upon signal duration.

Abstract The Notch signaling pathway plays a critical role in many developmental and disease related processes. It is widely accepted that Notch has a mechano-transduction module that regulates cleavage of the receptor. However, the role of biomechanical properties of the cellular environment on this module and on Notch signaling in general is still poorly understood. During angiogenesis, differentiation into tip and stalk cells is regulated by Notch. The endothelial cells in this process respond to biochemical and mechanical cues triggered by local stiffening of the ECM. Here, we investigated the influence of substrate stiffness on the Notch signaling pathway in endothelial cells. Using stiffness tuned PDMS substrates we show that Notch signaling pathway activity inversely correlates with the physiologically relevant substrate stiffness, with increased Notch activity on softer substrates. We show that trans-endocytosis of the Notch extracellular domain, but not the overall endocytosis, is regulated by substrate stiffness. Furthermore, we could show that integrin cell-matrix connections are both stiffness-dependent and influenced by Notch. Cadherin mediated cell-cell adhesion and Notch, however, influence each other in that basal Notch signaling is cell-cell contact dependent, but inhibition of the Notch signaling pathway also results in a reduction of VE-cadherin levels. We conclude that mechano-transduction of Notch activation depends on substrate stiffness highlighting the role of substrate rigidity as a modulator of Notch signaling. This may have important implications in pathological situations, such as tumor growth, associated with stiffening of the extracellular matrix.

Abstract The mammalian hearing organ, the organ of Corti, is one of the most organized tissues in the mammalian body plan. It contains precisely positioned array of alternating sensory hair cells (HC) and non-sensory supporting cells that emerge during embryonic development from an initially disordered pro-sensory domain. While much is known on the genetics and biochemistry underlying this process, it is still unclear how such precise alternating patterns emerge during embryonic development. Here, we combine live imaging of mouse inner ear explants with hybrid mechano-regulatory models to elucidate the mechanisms underlying the formation of a single row of inner HC (IHC). We show that a narrow strip of initially disordered salt-and-pepper pattern, generated by Notch-mediated lateral inhibition, is dynamically refined by coordinated intercalations, delaminations, and differential adhesion. We identify a new morphological transition, termed ‘hopping intercalation’, that allows nascent IHC to ‘hop’ under the apical plane into their final position. We further show that IHC patterning is associated with boundary localization of the cell adhesion molecules, Nectin-3 and Nectin-1. Our experimental results and modeling support a mechanism for precise patterning based on a feedback between Notch-mediated differentiation and mechanically driven cellular reorganization that is likely relevant for many developmental processes.