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Abstract

During animal development, embryonic cells assemble into intricately structured organs by working together in organized groups capable of implementing tightly coordinated collective behaviors, including patterning, morphogenesis and migration. Although many of the molecular components and basic mechanisms underlying such collective phenomena are known, the complexity emerging from their interplay still represents a major challenge for developmental biology.

Here, we first clarify the nature of this challenge and outline three key strategies for addressing it: precision perturbation, synthetic developmental biology, and data-driven inference. We then present the results of our effort to develop a set of tools rooted in two of these strategies and to apply them to uncover new mechanisms and principles underlying the coordination of collective cell behaviors during organogenesis, using the zebrafish posterior lateral line primordium as a model system.

To enable precision perturbation of migration and morphogenesis, we sought to adapt optogenetic tools to control chemokine and actin signaling. This endeavor proved far from trivial and we were ultimately unable to derive functional optogenetic constructs. However, our work toward this goal led to a useful new way of perturbing cortical contractility, which in turn revealed a potential role for cell surface tension in lateral line organogenesis.

Independently, we hypothesized that the lateral line primordium might employ plithotaxis to coordinate organ formation with collective migration. We tested this hypothesis using a novel optical tool that allows targeted arrest of cell migration, finding that contrary to previous assumptions plithotaxis does not substantially contribute to primordium guidance.

Finally, we developed a computational framework for automated single-cell segmentation, latent feature extraction and quantitative analysis of cellular architecture. We identified the key factors defining shape heterogeneity across primordium cells and went on to use this shape space as a reference for mapping the results of multiple experiments into a quantitative atlas of primordium cell architecture. We also propose a number of data-driven approaches to help bridge the gap from big data to mechanistic models.

Overall, this study presents several conceptual and methodological advances toward an integrated understanding of complex multi-cellular systems.

Translation of abstract (German)

Die Entwicklung tierischer Embryonen ist ein Prozess, bei dem Zellen eng zusammenarbeiten um vielfältig strukturierte Organe zu bilden. Dabei kommen gut koordinierte kollektive Abläufe zum Einsatz, insbesondere Musterbildung, Morphogenese und Zellmigration. Obwohl die molekularen Komponenten und Mechanismen, die diesen Phänomenen zugrunde liegen, bereits weitestgehend bekannt sind, ist die durch deren Wechselwirkung emergierende Komplexität nach wie vor eine grosse Herausforderung für die Entwicklungsbiologie.

Wir beleuchten zunächst diese Herausforderung genauer und schlagen drei Strategien zu ihrer Bewältigung vor: Präzisionsperturbation, synthetische Entwicklungsbiologie und datengestützte Inferenz. Dann präsentieren wir unsere Versuche, basierend auf zwei dieser Strategien neue Methoden zu entwickeln und die Prinzipien der Koordination kollektiver Entwicklungsprozesse zu studieren, wozu wir das Seitenlinienprimordium des Zebrabärblings als Modellsystem nutzten.

Wir adaptierten mehrere optogenetische Methoden mit dem Ziel, Zellmigration und Morphogenese durch Präzisionsperturbationen untersuchen zu können. Es erwies sich jedoch als nicht möglich, funktionale optogenetische Konstrukte zu entwickeln. Indirekt hat sich aus dieser Arbeit aber eine neue Methode zur Erhöhung kortikaler Kontraktilität ergeben, wodurch wir Hinweise darauf erhalten haben, dass die Zelloberflächenspannung eine wichtige Rolle in der Entwicklung des Seitenlinienorgans spielen könnte.

Davon unabhängig haben wir die Hypothese verfolgt, dass die Organbildung und die kollektive Migration des Seitenlinienprimordiums durch Plithotaxis gekoppelt sein könnten. Eine direkte Überprüfung dieser Hypothese unter Einsatz einer neu entwickelten optischen Methode zum gezielten Anhalten migrierender Zellen sprach jedoch entgegen etablierter Annahmen nicht für die Existenz eines solchen Mechanismus.

Schliesslich haben wir ein computergestütztes System zur automatischen Segmentierung einzelner Primordiumzellen sowie zur Messung und Analyse charakteristischer Eigenschaften der Zellarchitektur entwickelt. Insbesondere haben wir die verschiedenen Zellformen des Primordiums quantitativ beschrieben und als Referenz dazu genutzt, mehrere unabhängige Experimente zu einem Atlas der Zellarchitektur zu kombinieren. Basierend darauf schlagen wir Methoden vor, um die Lücke zwischen "Big Data" und mechanistischen Modellen zu schliessen.

Insgesamt präsentiert diese Studie mehrere konzeptuelle und methodologische Fortschritte in Richtung eines integrierten Verständnisses komplexer mehrzelliger Systeme.