An analysis of taenidial fold formation via the study of Blimp-1 and pri

Abstract

Examples of tubular organ systems like the mammalian lungs and vascular system abound in the animal kingdom. In this study we used the Drosophila melanogaster tracheal system to study tubular organ development. In particular, we focused on taenidial folds, chitin structures surrounding the tubular lumen that give mechanical strength to the tracheal tubes. Formed by the secretion of chitin into the apical extracellular matrix, these folds extend beyond the limits of a single cell spanning through multiple cells. This implies a high level of intra and intercellular coordination. There are a number of genes in the absence of which taenidial folds are disturbed. Among these, we focused on Blimp-1 and pri.

In the absence of each of these genes, taenidial folds are disrupted while other aspects of tracheal development are unaffected. We have analyzed the expression pattern of Blimp-1 and pri and found that both genes are expressed in Drosophila tracheal cells during embryonic development. Taenidial folds are still formed in the absence of Blimp-1 or pri but they are not organized correctly, thereby indicating that Blimp-1 and pri contribute to their proper formation.

Actin structures contributing to chitin organization have been reported for many systems in Drosophila, like denticle belts at the epidermis and the lumenal structure in the tracheal system. In Blimp-1 mutants, apical actin rings fail to form whereas in pri mutants they are formed but misoriented, suggesting that the function of Blimp-1 and pri is required for F-actin assembly. Interestingly, when we impair either chitin synthesis or chitin organization the apical F-actin is disorganized and does not form bundles. For the first time, we show that during tracheal system development there is a crosstalk between F-actin organization and chitin structures.

By rescuing the mutant phenotype in single cells, we studied how individual cells contribute to generate a supra-cellular structure. Results of our analysis reveal that the orientation of taenidial folds is not cell-autonomously regulated and that it depends highly on the taenidial folds formed by the neighboring cells. Finally, we show that impairing cell-cell junctions, via down-regulation of α-catenin, gives rise to tracheal cells that form their taenidial folds independently.

En el reino animal hay numerosos ejemplos de sistemas de órganos tubulares, como los pulmones y el sistema vascular de los mamíferos. En este estudio hemos usado el sistema traqueal de Drosophila melanogaster para estudiar el desarrollo de este tipo de órganos. En particular, nos centramos en los pliegues taenidiales, estructuras de quitina que rodean el lumen tubular y dan resistencia mecánica a los tubos traqueales. Formados por la secreción de quitina en la matriz extracelular apical, estos pliegues se extienden más allá de los límites de una sola célula, abarcando múltiples células. Esto implica un alto nivel de coordinación intra e intercelular. Hay una serie de genes cuya ausencia produce perturbaciones en los pliegues taenidiales. De éstos, nuestro estudio se centra en Blimp-1 y pri.

En ausencia de cada uno de estos genes, los pliegues taenidiales no se desarrollan correctamente mientras que otros aspectos del desarrollo traqueal no se ven demasiado afectados. Hemos analizado el patrón de expresión de Blimp-1 y pri, y hemos encontrado que ambos genes se expresan en las células traqueales de Drosophila durante el desarrollo embrionario. Los pliegues taenidiales todavía se forman en ausencia de Blimp-1 o pri, pero no están organizados correctamente, lo que indica que Blimp-1 y pri contribuyen a su adecuada formación.

Existen varios sistemas en Drosophila en que estructuras de actina contribuyen a la organización de la quitina, como los dentículos de la epidermis y el lumen el sistema traqueal. En los mutantes Blimp-1, no se forman los anillos de actina apical, que si que lo hacen en los mutantes pri pero con una mala orientacion, lo que indica que la función de Blimp-1 y pri se requiere para el ensamblaje de la F-actina. Por otra parte, nuestros resultados indican que perturbar la síntesis de quitina o su organización, desorganiza la F-actina apical que no forma haces. Por lo tanto, durante el desarrollo del sistema traqueal se establece una interacción mútua entre la organización de la F-actina y de las estructuras de quitina.

Mediante la expresión de la forma silvestre del gen en una sola célula en un fondo mutante, hemos estudiado cómo las células individuales contribuyen a generar una estructura supra-celular. Los resultados de nuestro análisis revelan que la orientación de los pliegues taenidiales no es regulada de manera autónoma y que depende en gran medida de los pliegues taenidiales formados por las células vecinas. Por último, mostramos que perturbar las uniones entre células, a través de la reducción de los niveles de α-catenina, da lugar a que las células traqueales formen su pliegues taenidiales de forma independiente a sus vecinas.