The genetic control of anterior brain development is highly conserved throughout animals. For instance, a conserved anterior gene regulatory network specifies the ancestral neuroendocrine center of animals and the apical organ of marine organisms. However, its contribution to the brain in non-marine animals has remained elusive. Here, we study the function of the Tc-foxQ2 forkhead transcription factor, a key regulator of the anterior gene regulatory network of insects. We characterized four distinct types of Tc-foxQ2 positive neural progenitor cells based on differential co-expression with Tc-six3/optix, Tc-six4, Tc-chx/vsx, Tc-nkx2.1/scro, Tc-ey, Tc-rx and Tc-fez1. An enhancer trap line built by genome editing marked Tc-foxQ2 positive neurons, which projected through the primary brain commissure and later through a subset of commissural fascicles. Eventually, they contributed to the central complex. Strikingly, in Tc-foxQ2 RNAi knock-down embryos the primary brain commissure did not split and subsequent development of midline brain structures stalled. Our work establishes foxQ2 as a key regulator of brain midline structures, which distinguish the protocerebrum from segmental ganglia. Unexpectedly, our data suggest that the central complex evolved by integrating neural cells from an ancestral anterior neuroendocrine center.

In this paper, we introduce an image analysis approach for spatio-temporal segmentation, quantification and visualization of movement or contraction patterns in 2D+t or 3D+t microscopy recordings of biological tissues. The imaging pipeline is applied to time lapse images of the embryonic development of the red flour beetle Tribolium castaneum recorded with light-sheet fluorescence microscopy (LSFM). We are particularly interested in the dynamics of extra-embryonic membranes, and provide quantitative evidence of the existence of contraction waves during late stages of development. These contraction waves are a novel observation of which neither origin, nor function are yet known. The proposed pipeline relies on particle image velocimetry (PIV) for quantitative movement analysis, surface detection, tissue cartography, and an algorithmic approach to detect characteristic movement dynamics. This approach locates contraction waves in 2D+t and 3D+t reliably and efficiently and allows the automated quantitative analysis, such as the area involved in the contractile behavior, contraction wave duration and frequency, path of contractile area, or the relation to the spatio-temporal velocity distribution. The pipeline will be used in the future to conduct a large-scale characterization and quantification of contraction wave behavior in Tribolium castaneum development and can be adapted easily to the identification and segmentation of characteristic tissue dynamics in other systems of interest.

Abstract A key problem in development is to understand how genes turn on or off at the right place and right time during embryogenesis. Such decisions are made by non-coding sequences called ‘enhancers’. Much of our models of how enhancers work rely on the assumption that genes are activated de novo as stable domains across embryonic tissues. Such view has been strengthened by the intensive landmark studies of the early patterning of the anterior-posterior (AP) axis of the Drosophila embryo, where indeed gene expression domains seem to arise more or less stably. However, careful analysis of gene expressions in other model systems (including the AP patterning in vertebrates and short-germ insects like the beetle Tribolium castaneum ) painted a different, very dynamic view of gene regulation, where genes are oftentimes expressed in a wavelike fashion. How such gene expression waves are mediated at the enhancer level is so far unclear. Here we establish the AP patterning of the short-germ beetle Tribolium as a model system to study dynamic and temporal pattern formation at the enhancer level. To that end, we established an enhancer prediction system in Tribolium based on time- and tissue-specific ATAC-seq and an enhancer live reporter system based on MS2 tagging. Using this experimental framework, we discovered several Tribolium enhancers, and assessed the spatiotemporal activities of some of them in live embryos. We found our data consistent with a model in which the timing of gene expression during embryonic pattern formation is mediated by a balancing act between enhancers that induce rapid changes in gene expressions (that we call ‘dynamic enhancers’) and enhancers that stabilizes gene expressions (that we call ‘static enhancers’).