The recently completed Caenorhabditis elegans genome sequence allows application of high-throughput (HT) approaches for phenotypic analyses using RNA interference (RNAi). As large phenotypic data sets become available, “phenoclustering” strategies can be used to begin understanding the complex molecular networks involved in development and other biological processes. The current HT-RNAi resources represent a great asset for phenotypic profiling but are limited by lack of flexibility. For instance, existing resources do not take advantage of the latest improvements in RNAi technology, such as inducible hairpin RNAi. Here we show that a C. elegans ORFeome resource, generated with the Gateway cloning system, can be used as a starting point to generate alternative HT-RNAi resources with enhanced flexibility. The versatility inherent to the Gateway system suggests that additional HT-RNAi libraries can now be readily generated to perform gene knockdowns under various conditions, increasing the possibilities for phenome mapping in C. elegans.

Publisher Summary Complete genome sequences are available for three model organisms—Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, and Caenorhabditis elegans—and for several pathogenic microorganisms such as Helicobacter pylori. Complete genome sequences are expected to become available soon for other model organisms and for humans. This information is expected to revolutionize the way biological questions can be addressed. Molecular mechanisms should now be approachable on a more global scale in the context of (nearly) complete sets of genes, rather than by analyzing genes individually. However, most open reading frames (ORFs) predicted from sequencing projects have remained completely uncharacterized at the functional level. The emerging field of functional genomics addresses this limitation by developing methods to characterize the function of large numbers of predicted ORFs simultaneously.

L Zhu, S van den Heuvel, K Helin, A Fattaey, M Ewen, D Livingston, N Dyson, and E Harlow Massachusetts General Hospital Cancer Center, Charlestown 02129.

Abstract The adenomatous polyposis coli (APC) tumor suppressor has dual functions in Wnt/ß-catenin signaling and accurate chromosome segregation, and is frequently mutated in colorectal cancers. Although APC contributes to proper cell division, the underlying mechanisms remain poorly understood. Here we show that C. elegans APR-1/APC is an attenuator of the pulling forces acting on the mitotic spindle. During asymmetric cell division of the C. elegans zygote, a LIN-5/NuMA protein complex localizes dynein to the cell cortex to generate pulling forces on astral microtubules that position the mitotic spindle. We found that APR-1 localizes to the anterior cell cortex in a Par-aPKC polarity-dependent manner and suppresses anterior centrosome movements. Our combined cell biological and mathematical analyses support the conclusion that cortical APR-1 reduces force generation by stabilizing microtubule plus ends at the cell cortex. Furthermore, APR-1 functions in coordination with LIN-5 phosphorylation to attenuate spindle pulling forces. Our results document a physical basis for spindle-pulling force attenuation, which may be generally used in asymmetric cell division, and when disrupted potentially contributes to division defects in cancer. Significance Statement APC (adenomatous polyposis coli) is a Wnt signaling component as well as a microtubule-associated protein, and its mutations are frequently associated with colorectal cancers in humans. Although APC stabilizes microtubules (MTs), its mechanical role during cell division is largely unknown. Here we show that APC is an attenuator of forces acting on the mitotic spindle during asymmetric cell division of the C. elegans zygote. We performed live-imaging, laser-microsurgery, and numerical simulation to show how APC suppresses spindle pulling force generation by stabilizing microtubule plus-ends and reducing microtubule catastrophe frequency at the cell cortex. Our study is the first to document a mechanical role for the APC protein, and provides a physical basis for spindle-pulling force attenuation.

The position of the mitotic spindle is tightly controlled in animal cells, as it determines the plane and orientation of cell division. Interactions between cytoplasmic dynein at the cortex and astral microtubules generate pulling forces that position the spindle. In yeast, dynein is actively delivered to the cortex through microtubule plus-end tracking complexes. In animal cells, an evolutionarily conserved Gα-GPR-1/2Pins/LGN-LIN-5NuMA cortical complex interacts with dynein and is required to generate pulling forces, but the mechanism of dynein recruitment to the cortex is unclear. Using CRISPR/Cas9-assisted recombineering, we fluorescently labeled endogenous DHC-1 dynein in C. elegans. We observed strong dynein plus-end tracking, which depended on the end-binding protein EBP-2. Complete removal of the EBP family abolished dynein plus-end tracking but not LIN-5-dependent cortical localization. The ebp-1/2/3 deletion mutant, which was viable and fertile, showed increased cortical microtubule retention; however, pulling forces and spindle positioning were normal. These data indicate that dynein recruited from the cytoplasm creates robust pulling forces.

ABSTRACT A correct balance between proliferative and asymmetric cell divisions underlies normal development, stem cell maintenance and tissue homeostasis. What determines whether cells undergo symmetric or asymmetric cell division is poorly understood. To gain insight in the mechanisms involved, we studied the stem cell-like seam cells in the Caenorhabditis elegans epidermis. Seam cells go through a reproducible pattern of asymmetric divisions, instructed by non-canonical Wnt/β-catenin asymmetry signaling, and symmetric divisions that increase the seam cell number. Using time-lapse fluorescence microscopy, we show that symmetric cell divisions maintain the asymmetric localization of Wnt/β-catenin pathway components. Observations based on lineage-specific knockout and GFP-tagging of endogenous pop-1 support the model that POP-1 TCF induces differentiation at a high nuclear level, while low nuclear POP-1 promotes seam cell self-renewal. Before symmetric division, the transcriptional regulator rnt-1 Runx and cofactor bro-1 CBFβ temporarily bypass Wnt/β-catenin asymmetry by downregulating pop-1 expression. Thereby, RNT-1/BRO-1 appears to render POP-1 below the level required for its repressor function, which converts differentiation into self-renewal. Thus, opposition between the C. elegans Runx/CBFβ and TCF stem-cell regulators controls the switch between asymmetric and symmetric seam cell division.

The invariant lineages of C. elegans provide tractable cell fate models to study how developing organisms robustly integrate spatial signals at the single-cell level via gene regulatory networks. For instance, during postembryonic development, a mesoderm lineage arises through a sequence of oriented cell divisions from a single progenitor. This mesoblast initially gives rise to 18 cells with three distinct fates – 14 body wall muscles (BWMs), 2 coelomocytes (CCs; dorsal), and 2 sex myoblasts (SMs; ventral). The latter cells migrate and then proliferate to contribute 16 smooth muscles to the nematode's reproductive organs. Prior work identified key symmetry breaking cues: i) ventrally restricted activation of the LIN-12 Notch pathway promoting SM over CC fate and ii) asymmetric re-distribution of SYS-1 β-catenin and POP-1 TCF among daughter cells along the anteroposterior (A-P) axis, i.e. the Wnt/β-catenin asymmetry pathway. However, it remains unclear whether these pathways are sufficient to specify all cell fates accordingly or whether additional symmetry breaking cues are necessary. In this study, we use quantitative modelling to better understand fate specification in the postembryonic M lineage. Specifically, we focus on the anteroposterior symmetry break by creating increasingly complex models towards robustly reproducing fate specification in wild type larvae and mutants. This iterative process resulted in two alternative models that explain the experimental observations by either introducing an additional spatial (spatial symmetry break) or temporal cue (temporal symmetry break). Finally, we evaluate their plausibility and propose a series of experiments to provide support for alternative models. Overall, our study highlights how a quantitative examination of mechanistic ideas can identify knowledge gaps and guide experimental follow-up.

Abstract The conserved adapter protein Scribble (Scrib) plays essential roles in a variety of cellular processes, including polarity establishment, proliferation, and directed cell migration. While the mechanisms through which Scrib promotes epithelial polarity are beginning to be unraveled, its roles in other cellular processes including cell migration remain enigmatic. In C. elegans , the Scrib ortholog LET-413 is essential for apical–basal polarization and junction formation in embryonic epithelia. However, whether LET-413 is required for postembryonic development or plays a role in migratory events is not known. Here, we use inducible protein degradation to investigate the functioning of LET-413 in larval epithelia. We find that LET-413 is essential in the epidermal epithelium for growth, viability, and junction maintenance. In addition, we identify a novel role for LET-413 in the polarized outgrowth of the epidermal seam cells. These stem cell-like epithelial cells extend anterior and posterior directed apical protrusions in each larval stage to reconnect to their neighbors. We show that the role of LET-413 in seam cell outgrowth is mediated at least in part by the junctional component DLG-1 discs large, which appears to restrict protrusive activity to the apical domain. Finally, we demonstrate that the Rho-family GTPases CED-10 Rac and CDC-42 can regulate seam cell outgrowth and may also function downstream of LET-413. Our data uncover multiple essential functions for LET-413 in larval development and shed new light on the regulation of polarized outgrowth of the seam cells.

SUMMARY Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) catalyzes the mono-, di, and trimethylation of histone protein H3 on lysine 27 (H3K27), which is strongly associated with transcriptionally silent chromatin. The functional core of PRC2 is highly conserved in animals and consists of four subunits. One of these, SUZ12, has not been identified in the genetic model Caenorhabditis elegans , whereas C. elegans PRC2 contains the clade-specific MES-3 protein. Through unbiased sensitive sequence similarity searches complemented by high-quality structure predictions of monomers and multimers, we here demonstrate that MES-3 is a highly divergent ortholog of SUZ12. MES-3 shares protein folds and conserved residues of key domains with SUZ12 and is predicted to interact with core PRC2 members similar to SUZ12 in human PRC2. Thus, in agreement with previous genetic and biochemical studies, we provide evidence that C. elegans contains a diverged yet evolutionary conserved core PRC2, like other animals.