[論文レビュー] Active instability of cell-cell junctions at the onset of tissue fluidity

Matej Krajnc, Tomer Stern+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2021

Cellular Mechanics and Interactions被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、組織の流れ性の発現を説明するため、細胞間接着部を動的で能動的な力デュポールとしてモデル化する機械的モデルを提案する。このモデルは、接着部の不安定性が臨界的崩壊を引き起こし、細胞の相互挿入を誘発することを示しており、非線形な弾性応答によってエネルギーのくぼみ（cusp）で限界サイクルまたは接着部の凝縮が生じ、安定化されることを示している。一方、集団的不安定性は、トポロジー状態を越えて、面内秩序または振動的ネットワークダイナミクスを引き起こす。

ABSTRACT

Active cell-junction remodeling is important for tissue morphogenesis, yet its underlying physics is not understood. We study a mechanical model that describes junctions as dynamic active force dipoles. Their instability can trigger cell intercalations by a critical collapse. Nonlinearities in tissue's elastic response can stabilize the collapse either by a limit cycle or condensation of junction lengths at cusps of the energy landscape. Furthermore, active junction networks can undergo collective instability to drive active in-plane ordering or develop a limit cycle of collective oscillations, which extends over regions of the energy landscape corresponding to distinct network topologies.

研究の動機と目的

• 形態形成中に組織の流れ性を駆動する物理的メカニズムを理解すること。
• 組織内での能動的細胞接着部の再編成の背後にある機械的理解の欠如を解消すること。
• 接着部の不安定性が細胞の相互挿入をどのように引き起こすかを説明する動的機械的モデルを開発すること。
• 非線形弾性がエネルギーのくぼみにおける限界サイクルまたはエネルギーのくぼみにおける接着部長さの凝縮を通じて、接着部の崩壊をどのように安定化させるかを調査すること。
• 面内秩序や振動的挙動を引き起こす集団的不安定性が、どのように発生するかを調査すること。

提案手法

• 細胞接着部を内部応力を生成し、ダイナミックに再編成を駆動する能動的力デュポールとしてモデル化する。
• 非線形弾性理論を適用して、接着部ネットワークのエネルギー・ランドスケープを分析し、崩壊が発生するくぼみ（cusp）を同定する。
• 安定性解析を用いて、接着部の崩壊が臨界定域に達し、相互挿入を誘発する条件を同定する。
• 接着部デュポール間の結合を通じて、集団的不安定性メカニズムを導入し、大規模なネットワーク再編成を模擬する。
• 異なるトポロジーにわたるネットワークダイナミクスをシミュレートし、限界サイクルや面内秩序の出現を観察する。
• 非線形性が、周期的振動または接着部長さの凝縮を通じて、崩壊をどのように安定化させるかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細胞間接着部に存在する能動的力デュポールは、どのように組織レベルの流れ性を誘発するか？
• RQ2 不安定性に起因する接着部の臨界定域的崩壊を安定化させる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 非線形弾性応答は、崩壊過程において限界サイクルまたは接着部長さの凝縮を引き起こすことができるか？
• RQ4 どのような条件下で、集団的不安定性が接着部ネットワークにおける面内秩序を引き起こすか？
• RQ5 集団的振動はどのようにして発生し、異なるネットワークトポロジーにわたり拡張するか？

主な発見

• 能動的接着部の不安定性が、臨界定域的崩壊を引き起こし、細胞の相互挿入を開始する。
• 非線形弾性が、エネルギーのくぼみにおける限界サイクルまたは接着部長さの凝縮を通じて、崩壊を安定化する。
• 接着部ネットワークにおける集団的不安定性が、細胞の大型な面内秩序を引き起こす。
• 能動的接着部ネットワークは、さまざまなトポロジー配置にわたり、持続的な限界サイクルの集団的振動を示す。
• エネルギー・ランドスケープは複数の安定状態を支持しており、接着部の凝縮は幾何学的くぼみで発生する。
• このモデルは、外部のシグナルがなくても、能動的力が局所的およびグローバルな再編成を駆動できることを予測している。