A key challenge in neuroscience is the expeditious reconstruction of neuronal circuits. For model systems such as Drosophila and C. elegans, the limiting step is no longer the acquisition of imagery but the extraction of the circuit from images. For this purpose, we designed a software application, TrakEM2, that addresses the systematic reconstruction of neuronal circuits from large electron microscopical and optical image volumes. We address the challenges of image volume composition from individual, deformed images; of the reconstruction of neuronal arbors and annotation of synapses with fast manual and semi-automatic methods; and the management of large collections of both images and annotations. The output is a neural circuit of 3d arbors and synapses, encoded in NeuroML and other formats, ready for analysis.

Cell-fate specification and tissue differentiation during development are largely achieved by the regulation of gene transcription. As a first step to creating a comprehensive atlas of gene-expression patterns during Drosophila embryogenesis, we examined 2,179 genes by in situ hybridization to fixed Drosophila embryos. Of the genes assayed, 63.7% displayed dynamic expression patterns that were documented with 25,690 digital photomicrographs of individual embryos. The photomicrographs were annotated using controlled vocabularies for anatomical structures that are organized into a developmental hierarchy. We also generated a detailed time course of gene expression during embryogenesis using microarrays to provide an independent corroboration of the in situ hybridization results. All image, annotation and microarray data are stored in publicly available database. We found that the RNA transcripts of about 1% of genes show clear subcellular localization. Nearly all the annotated expression patterns are distinct. We present an approach for organizing the data by hierarchical clustering of annotation terms that allows us to group tissues that express similar sets of genes as well as genes displaying similar expression patterns. Analyzing gene-expression patterns by in situ hybridization to whole-mount embryos provides an extremely rich dataset that can be used to identify genes involved in developmental processes that have been missed by traditional genetic analysis. Systematic analysis of rigorously annotated patterns of gene expression will complement and extend the types of analyses carried out using expression microarrays.

Despite the importance of the insect nervous system for functional and developmental neuroscience, descriptions of insect brains have suffered from a lack of uniform nomenclature. Ambiguous definitions of brain regions and fiber bundles have contributed to the variation of names used to describe the same structure. The lack of clearly determined neuropil boundaries has made it difficult to document precise locations of neuronal projections for connectomics study. To address such issues, a consortium of neurobiologists studying arthropod brains, the Insect Brain Name Working Group, has established the present hierarchical nomenclature system, using the brain of Drosophila melanogaster as the reference framework, while taking the brains of other taxa into careful consideration for maximum consistency and expandability. The following summarizes the consortium’s nomenclature system and highlights examples of existing ambiguities and remedies for them. This nomenclature is intended to serve as a standard of reference for the study of the brain of Drosophila and other insects.

Abstract

 The transformation of an unpatterned epithelium into a patterned one is a fundamental issue in morphogenesis. This transformation occurs in a dramatic fashion in the developing eye imaginal disc, the primordium of the Drosophila compound eye. Molecular and developmental analyses reveals that the sine oculis (so) locus encodes a homeodomain-containing protein that is expressed and required in the unpatterned epithelium prior to morphogenesis. In mutants, cells undergo apoptosis. These findings argue that so plays an essential role in controlling the initial events of pattern formation in the eye disc. So is also expressed and required for the development of the rest of the fly visual system, including the optic lobes (i.e., those regions of the brain that process visual information). So is expressed in the optic lobe primordium prior to its invagination from the embryonic ectoderm; in so mutants, the optic lobe primordium fails to invaginate.

Two major classes of cells observed within the Drosophila hematopoietic repertoire are plasmatocytes/macrophages and crystal cells. The transcription factor Lz (Lozenge), which resembles human AML1 (acute myeloid leukemia– 1) protein, is necessary for the development of crystal cells during embryonic and larval hematopoiesis. Another transcription factor, Gcm (glial cells missing), has previously been shown to be required for plasmatocyte development. Misexpression of Gcm causes crystal cells to be transformed into plasmatocytes. The Drosophila GATA protein Srp (Serpent) is required for both Lz and Gcm expression and is necessary for the development of both classes of hemocytes, whereas Lz and Gcm are required in a lineage-specific manner. Given the similarities of Srp and Lz to mammalian GATA and AML1 proteins, observations in Drosophila are likely to have broad implications for understanding mammalian hematopoiesis and leukemias.

Abstract Background Cell and tissue specific gene expression is a defining feature of embryonic development in multi-cellular organisms. However, the range of gene expression patterns, the extent of the correlation of expression with function, and the classes of genes whose spatial expression are tightly regulated have been unclear due to the lack of an unbiased, genome-wide survey of gene expression patterns. Results We determined and documented embryonic expression patterns for 6,003 (44%) of the 13,659 protein-coding genes identified in the Drosophila melanogaster genome with over 70,000 images and controlled vocabulary annotations. Individual expression patterns are extraordinarily diverse, but by supplementing qualitative in situ hybridization data with quantitative microarray time-course data using a hybrid clustering strategy, we identify groups of genes with similar expression. Of 4,496 genes with detectable expression in the embryo, 2,549 (57%) fall into 10 clusters representing broad expression patterns. The remaining 1,947 (43%) genes fall into 29 clusters representing restricted expression, 20% patterned as early as blastoderm, with the majority restricted to differentiated cell types, such as epithelia, nervous system, or muscle. We investigate the relationship between expression clusters and known molecular and cellular-physiological functions. Conclusion Nearly 60% of the genes with detectable expression exhibit broad patterns reflecting quantitative rather than qualitative differences between tissues. The other 40% show tissue-restricted expression; the expression patterns of over 1,500 of these genes are documented here for the first time. Within each of these categories, we identified clusters of genes associated with particular cellular and developmental functions.

The pattern and development of cellular junctions in the different tissues of the Drosophila embryo from the blastoderm stage until hatching were analyzed. The cellular junctions found include: gap junctions, two types of septate junctions, and several types of cell-cell and cell-substrate adherens junctions. During early and mid embryogenesis (stages 4 to 13) only spot adherens junctions, gap junctions, and zonulae adherentes prevail. Scattered spot adherens junctions are already formed at the blastoderm stage. During and shortly after gastrulation, spot adherens junctions become concentrated at the apical pole and fuse into continuous zonulae adherentes in the posterior endoderm and the ectoderm. In addition to the zonulae adherentes, ectodermally derived epithelia possess scattered gap junctions and form pleated septate junctions and hemiadherens junctions during late embryogenesis (stages 14 to 17). Mesenchymal tissues (i.e., all nonepithelial tissues of the embryo, including the neural primordium and, transiently, the mesoderm and endoderm) possess both spot adherens junctions and gap junctions at a low frequency. Initially, the midgut epithelium does not establish a junctional complex and possess only gap junctions and spot adherens junctions. Only late in development does a circumferential smooth septate junction develop; zonulae adherentes are missing. The various derivatives of the mesoderm express spot adherens junctions, hemiadherens junctions, and gap junctions, but never zonulae adherentes or septate junctions. After organogenesis, several different types of tissue-specific adherens junctions are formed, among them connecting hemiadherens junctions (between gut epithelium and visceral muscle and early during the formation of the muscle tendon junction), muscle tendon junctions (between somatic muscle and tendon cells), fasciae adherentes (between the cells of both the visceral muscle and the dorsal vessel), and autocellular nephrocyte junctions (in nephrocytes). Interesting exceptions to the general pattern of junctional development are provided by the outer epithelial layer of the proventriculus and the Malpighian tubules. Both tissues develop as typical ectodermal epithelia and possess zonulae adherentes. During late embryogenesis, both epithelia lose the zonulae adherentes and form smooth rather then pleated septate junctions, thereby expressing a junctional complex similar to that of the endodermally derived midgut epithelium.

ABSTRACT We have studied the embryonic development of Drosophila hemocytes and their conversion into macrophages. Hemocytes derive exclusively from the mesoderm of the head and disperse along several invariant migratory paths throughout the embryo. The origin of hemocytes from the head mesoderm is further supported by the finding that in Bicaudal D, a mutation that lacks all head structures, and in twist snail double mutants, where no mesoderm develops, hemocytes do not form. All embryonic hemocytes behave like a homogenous population with respect to their potential for phagocytosis. Thus, in the wild type, about 80-90% of hemocytes become macrophages during late development. In mutations with an increased amount of cell death (knirps; stardust; fork head), this figure approaches 100%. In contrast, in these mutations, the absolute number of hemocytes does not differ from that in wild type, indicating that cell death does not ‘induce’ the formation of hemocytes. Finally, we show that, in the Drosophila embryo, apoptosis can occur independently of macrophages, since mutations lacking macrophages (Bicaudal D; twist snail double mutants; torso4021) show Abundant cell death.