Cells migrate through crowded microenvironments within tissues during normal development, immune response, and cancer metastasis. Although migration through pores and tracks in the extracellular matrix (ECM) has been well studied, little is known about cellular traversal into confining cell-dense tissues. We find that embryonic tissue invasion by Drosophila macrophages requires division of an epithelial ectodermal cell at the site of entry. Dividing ectodermal cells disassemble ECM attachment formed by integrin-mediated focal adhesions next to mesodermal cells, allowing macrophages to move their nuclei ahead and invade between two immediately adjacent tissues. Invasion efficiency depends on division frequency, but reduction of adhesion strength allows macrophage entry independently of division. This work demonstrates that tissue dynamics can regulate cellular infiltration.

ABSTRACT The infiltration of immune cells into tissues underlies the establishment of tissue resident macrophages, and responses to infections and tumors. Yet the mechanisms immune cells utilize to negotiate tissue barriers in living organisms are not well understood, and a role for cortical actin has not been examined. Here we find that the tissue invasion of Drosophila macrophages, also known as plasmatocytes or hemocytes, utilizes enhanced cortical F-actin levels stimulated by the Drosophila member of the fos proto oncogene transcription factor family (Dfos, Kayak). RNA sequencing analysis and live imaging show that Dfos enhances F-actin levels around the entire macrophage surface by increasing mRNA levels of the membrane spanning molecular scaffold tetraspanin TM4SF, and the actin cross-linking filamin Cheerio which are themselves required for invasion. Both the filamin and the tetraspanin enhance the cortical activity of Rho1 and the formin Diaphanous and thus the assembly of cortical actin, which is a critical function since expressing a dominant active form of Diaphanous can rescue the Dfos macrophage invasion defect. In vivo imaging shows that Dfos enhances the efficiency of the initial phases of macrophage tissue entry. Genetic evidence argues that this Dfos-induced program in macrophages counteracts the constraint produced by the tension of surrounding tissues and buffers the properties of the macrophage nucleus from affecting tissue entry. We thus identify strengthening the cortical actin cytoskeleton through Dfos as a key process allowing efficient forward movement of an immune cell into surrounding tissues.

SUMMARY Metabolic adaptation to changing demands underlies homeostasis. During inflammation or metastasis, cells leading migration into challenging environments require an energy boost, however what controls this capacity is unknown. We identify a previously unstudied nuclear protein, Atossa, as changing metabolism in Drosophila melanogaster immune cells to promote tissue invasion. Atossa’s vertebrate orthologs, FAM214A-B, can fully substitute for Atossa, indicating functional conservation from flies to mammals. Atossa increases mRNA levels of Porthos, an unstudied RNA helicase and two metabolic enzymes, LKR/SDH and GR/HPR. Porthos increases translation of a gene subset, including those affecting mitochondrial functions, the electron transport chain, and metabolism. Respiration measurements and metabolomics indicate that Atossa and Porthos powers up mitochondrial oxidative phosphorylation to produce sufficient energy for leading macrophages to forge a path into tissues. As increasing oxidative phosphorylation enables many crucial physiological responses, this unique genetic program may modulate a wide range of cellular behaviors beyond migration.

Abstract Migration of cells through diverse tissues is essential for development, immune response and cancer metastasis 1–3 . To reach their destination, cells must overcome the resistance imposed by complex microenvironments, composed of neighboring cells and extracellular matrix (ECM) 4–6 . While migration through pores and tracks in ECM has been well studied 4,5,7 , little is known about cellular traversal into confining cell-dense tissues. Here by combining quantitative live imaging with genetic and optogenetic perturbations we identify a crucial role for cell division during cell migration into tissues. We find that normal embryonic invasion by Drosophila macrophages between the ectoderm and mesoderm 8,9 absolutely requires division of an epithelial ectodermal cell at the site of entry. Dividing ectodermal cells disassemble ECM attachment formed by Integrin-mediated focal adhesions next to mesodermal cells, allowing macrophages to move their nuclei ahead and invade. Decreasing or increasing the frequency of ectodermal division correspondingly either hinders or promotes macrophage invasion. Reducing the levels of focal adhesion components in the ectoderm allows macrophage entry even in the absence of division. Our study demonstrates the critical importance of division at the entry site to enable in vivo cell invasion by relieving the steric impediment caused by focal adhesions. We thus provide a new perspective on the regulation of cellular movement into tissues.

Aberrant display of the truncated core1 O-glycan T-antigen is a common feature of human cancer cells that correlates with metastasis. Here we show that T-antigen in Drosophila melanogaster macrophages is involved in their developmentally programmed tissue invasion. Higher macrophage T-antigen levels require an atypical major facilitator superfamily (MFS) member that we named Minerva which enables macrophage dissemination and invasion. We characterize for the first time the T and Tn glycoform O-glycoproteome of the Drosophila melanogaster embryo, and determine that Minerva increases the presence of T-antigen on protein pathways previously linked to cancer, most strongly on the protein sulfhydryl oxidase Qsox1 which we show is required for macrophage invasion. Minerva's vertebrate ortholog, MFSD1, rescues the minerva mutant's migration and T-antigen glycosylation defects. We thus identify a key conserved regulator that orchestrates O-glycosylation on a protein subset to activate a program governing migration steps important for both development and cancer metastasis.

Unpaired ligands are secreted signals that act via a GP130-like receptor, domeless, to activate JAK-STAT signaling in Drosophila. Like many mammalian cytokines, unpaireds can be activated by infection and other stresses and can promote insulin resistance in target tissues. However, the importance of this effect in non-inflammatory physiology is unknown. Here, we identify a requirement for unpaired-JAK signaling as a metabolic regulator in healthy adult Drosophila muscle. Adult muscles show basal JAK-STAT signaling activity in the absence of any immune challenge. Macrophages are the source of much of this tonic signal. Loss of the dome receptor on adult muscles significantly reduces lifespan and causes local and systemic metabolic pathology. These pathologies result from hyperactivation of AKT and consequent deregulation of metabolism. Thus, we identify a cytokine signal from macrophages to muscle that controls AKT activity and metabolic homeostasis.