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.

The skin of Xenopus embryos contains numerous multiciliated cells (MCCs), which collectively generate a directed fluid flow across the epithelial surface essential for distributing the overlaying mucous. MCCs develop into highly specialized cells to generate this flow, containing approximately 150 evenly spaced centrioles that give rise to motile cilia. MCC-driven fluid flow can be impaired when ciliary dysfunction occurs, resulting in primary ciliary dyskinesia (PCD) in humans. Mutations in a large number of genes (~50) have been found to be causative to PCD. Recently, studies have linked low levels of Adenylate Kinase 7 (AK7) gene expression to patients with PCD; however, the mechanism for this link remains unclear. Additionally, AK7 mutations have been linked to multiple PCD patients. Adenylate kinases modulate ATP production and consumption, with AK7 explicitly associated with motile cilia. Here we reproduce an AK7 PCD-like phenotype in Xenopus and describe the cellular consequences that occur with manipulation of AK7 levels. We show that AK7 localizes throughout the cilia in a DPY30 domain-dependent manner, suggesting a ciliary function. Additionally, we find that AK7 overexpression increases centriole number, suggesting a role in regulating centriole biogenesis. We find that in AK7-depleted embryos, cilia number, length, and beat frequency are all reduced, which in turn, significantly decreases the tissue-wide mucociliary flow. Additionally, we find a decrease in centriole number and an increase in sub-apical centrioles, implying that AK7 influences both centriole biogenesis and docking, which we propose underlie its defect in ciliogenesis. We propose that AK7 plays a role in PCD by impacting centriole biogenesis and apical docking, ultimately leading to ciliogenesis defects that impair mucociliary clearance.

Tissue crowding represents a critical challenge to epithelial tissues, which often respond via the irreversible process of live cell extrusion. We report cell size reduction via macropinocytosis as an alternative mechanism. Macropinocytosis is triggered by tissue crowding via mechanosensory signaling, leading to substantial internalization of apical membrane and driving a reduction in apical cell size that remodels the epithelium to alleviate crowding. We report that this mechanism regulates the long-term organization of developing epithelium in response to proliferation-induced crowding but also serves as an immediate response to acute external compression. In both cases, inhibiting macropinocytosis induces a dramatic increase in cell extrusion suggesting cooperation between cell extrusion and macropinocytosis in response to compression. Our findings implicate macropinocytosis as an important regulator of dynamic epithelial remodeling.