Xenopus embryos are covered with a complex epithelium containing numerous multiciliated cells (MCCs). During late stage development there is a dramatic remodeling of the epithelium that involves the complete loss of MCCs. Cell extrusion is a well-characterized process for driving cell loss while maintaining epithelial barrier function. Normal cell extrusion is typically unidirectional whereas bidirectional extrusion is often associated with disease (e.g. cancer). We describe two distinct mechanisms for MCC extrusion, a basal extrusion driven by Notch signaling and an apical extrusion driven by Piezo1. Early in the process there is a strong bias towards basal extrusion, but as development continues there is a shift towards apical extrusion. Importantly, receptivity to the Notch signal is age-dependent and governed by the maintenance of the MCC transcriptional program such that extension of this program is protective against cell loss. In contrast, later apical extrusion is regulated by Piezo 1 such that premature activation of Piezo 1 leads to early extrusion while blocking Piezo 1 leads to MCC maintenance. Distinct mechansms for MCC loss underlie the importance of their removal during epithelial remodeling.Cell extrusion typically occurs unidirectionally. We have identified a single population of multiciliated cells that extrudes bidirectionally: Notch-driven basal extrusion and Piezo 1-mediated apical extrusion.

Abstract The post-translational modification of tubulin provides a wide diversity of differential functions to microtubule networks. Here we address the role of tubulin acetylation on the penetrative capacity of cells undergoing radial intercalation in the skin of Xenopus embryos. Radial intercalation is the process by which cells move apically and penetrate the epithelial barrier via inserting into the outer epithelium. As such there are two opposing forces that regulate the ability of cells to intercalate: the restrictive forces of the epithelial barrier versus the penetrative forces of the intercalating cell. By positively and negatively modulating tubulin acetylation specifically in the intercalating cells, the timing of intercalation can be altered such that cells with more acetylated microtubules penetrate the epithelium faster. Moreover, the Xenopus epithelium is a complex array of variable types of vertices and we find that intercalating cells preferentially penetrate at higher order “rosette” vertices as opposed to the more prevalent tricellular vertices. We observed differential timing in the ability of cells to penetrate different types of vertices, indicating lower order vertices represent more restrictive sites of insertion. Interestingly, we are able to shift the accessibility of early intercalating cells towards the more restrictive tricellular junctions by modulating the level of tubulin acetylation and the subsequent penetrative capacity of intercalating cells. Overall our data implicate tubulin acetylation in driving tissue penetration of intercalating cells.

Lung epithelial development relies on the proper balance of cell proliferation and differentiation to maintain homeostasis. When this balance is disturbed, it can lead to diseases like cancer, where cells undergo hyperproliferation and then can undergo migration and metastasis. Lung cancer is one of the deadliest cancers, and even though there are a variety of therapeutic approaches, there are cases where treatment remains elusive. The rho-associated protein kinase (ROCK) has been thought to be an ideal molecular target due to its role in activating oncogenic signaling pathways. However, in a variety of cases, inhibition of ROCK has been shown to have the opposite outcome. Here, we show that ROCK inhibition with y-27632 causes abnormal epithelial tissue development in Xenopus laevis embryonic skin, which is an ideal model for studying lung cancer development. We found that treatment with y-27632 caused an increase in proliferation and the formation of ciliated epithelial outgrowths along the tail edge. Our results suggest that, in certain cases, ROCK inhibition can disturb tissue homeostasis. We anticipate that these findings could provide insight into possible mechanisms to overcome instances when ROCK inhibition results in heightened proliferation. Also, these findings are significant because y-27632 is a common pharmacological inhibitor used to study ROCK signaling, so it is important to know that in certain in vivo developmental models and conditions, this treatment can enhance proliferation rather than lead to cell cycle suppression.