[論文レビュー] Quantification of myosin distribution predicts global morphogenetic flow in the fly embryo

Sebastian J. Streichan, Matthew F Lefebvre+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2017

Cellular Mechanics and Interactions被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、粗粒度化されたミオシンテンソルを用いた visco-elastic モデルを導入し、*Drosophila* の原形成期における全組織の流れを予測する。光シート顕微鏡、セグメンテーションフリーの画像解析、および有限要素法の逆問題解法を組み合わせることで、測定された流れと最大90%の一致を達成し、長距離の機械的結合およびミオシン分布の空間的変調、特に基底面におけるミオシンの非対称性が形態形成の調整に不可欠であることが明らかになった。

ABSTRACT

During embryogenesis tissue layers continuously rearrange and fold into specific shapes. Developmental biology identified patterns of gene expression and cytoskeletal regulation underlying local tissue dynamics, but how actions of multiple domains of distinct cell types coordinate to remodel tissues at the organ scale remains unclear. We use in toto light-sheet microscopy, automated image analysis, and physical modeling to quantitatively investigate the link between kinetics of global tissue transformations and force generation patterns during Drosophila gastrulation. We find embryo-scale shape changes are represented by a temporal sequence of three simple flow field configurations. Each phase is accompanied by a characteristic spatial myosin distribution, quantified in terms of a coarse-grained 'myosin tensor' that captures both concentration and anisotropy. Our model assumes tissue flow is driven by stress proportional to the myosin tensor, and is effectively visco-elastic with two parameters that control 'irrotational' and 'divergence-less' components of the flow. With just three global parameters, this model achieves up to 90% agreement between predicted and measured flow. The analysis uncovers importance of a) spatial modulation of myosin distribution and b) long-range spreading of its effect due to mechanical interaction of cells. In particular, we find germband extension phase is associated with the onset of effective areal incompressibility of the epithelium, which makes the relation of flow and myosin forcing strongly non-local. Our analysis also revealed a new function for basal myosin in generating a dorsally directed flow and, combined with mutant analysis, identified an unconventional control mechanism through twist dependent reduction of basal myosin levels on the ventral side. We conclude that understanding morphogenetic flow requires a fundamentally global perspective.

研究の動機と目的

• 本研究では、*Drosophila* の原形成期に、局所的なミオシン活性がどのように全組織の形態形成を調整しているかを理解することを目的とする。
• 定量的物理モデルを用いて、分子スケールのミオシンダイナミクスと臓器スケールの組織の流れを橋渡しすることを目的とする。
• 細胞単位のセグメンテーションを必要とせず、グローバルパラメータのみを用いた簡略化された visco-elastic モデルが、複雑な流れのパターンを予測できるかどうかを検証することを目的とする。
• 機械的結合および空間的ミオシンアzieotropyが、長距離の流れの調整を可能にするメカニズムを解明することを目的とする。

提案手法

• 原形成期全般にわたり、3次元的かつ時間分解能の高い胚のダイナミクスを捉えるために、in toto 光シート顕微鏡を用いた。
• 生 fluorescence データから直接、組織の流れ場およびミオシン分布を評価するため、セグメンテーションフリーの画像解析を適用した。
• 顕微鏡的表面におけるミオシンの濃度およびアzieotropy を表すために、粗粒度化されたミオシンテンソルを定義した。
• 組織の流れ速度がミオシンテンソルの発散に比例する連続体 visco-elastic モデルを定式化した：$\nu\partial_b^2 v_a + \nu'\partial_a\partial_b v_b = \partial_b m_{ab}$。
• FELICITY ツールボックスを用いた有限要素法（FEM）により、3次元の三角形分割された胚メッシュ上で、応力-流れ関係を逆問題として解き、ミオシンパターンから流れを推定した。
• 予測された流れ場と測定された流れ場を比較するため、スケール不変の残差指標を導入し、グローバルスケーリング誤差によるバイアスを最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3つのグローバルパラメータのみを用いた単純な visco-elastic モデルが、*Drosophila* 胚における複雑で大規模な組織の流れのパターンを予測できるか？
• RQ2 顕微鏡的表面および基底面におけるミオシンの空間的分布が、原形成期における異なる流れ場の配置とどのように相関しているか？
• RQ3 組織の流れは、局所的なミオシン活性に起因するのか、それとも細胞間の長距離の機械的結合に起因するのか、その寄与度はどの程度か？
• RQ4 基底面ミオシンが背側方向の流れを生成する上で果たす機能的役割は何か、そして形態形成の過程でどのように調節されているか？
• RQ5 germband extension の開始に伴い、面積的に不変性が発現するようになると、ミオシン駆動力と組織の流れとの関係はどのように変化するか？

主な発見

• モデルは、3つのグローバルパラメータのみを用いて、予測された流れと測定された流れのパターンとの間に最大90%の一致を達成し、強力な予測能力を示した。
• 予測された流れ場の配置は、pre-VF、VF、GBE の3つの異なるタイプに分類され、それぞれが固有の空間的ミオシン分布パターンと関連していた。
• 基底面ミオシンは、pre-VF 階段において背腹非対称性を示し、背側に流れの吸い込み（sink）と腹側に流れの供給源（source）を予測し、初期の組織の流れを駆動していた。
• germband extension への移行に伴い、有効的な面積的不変性が発現し、流れ-ミオシン関係が強く非局所的になった。
• 基底面ミオシンが背側方向の流れを生成するという、これまでにない役割が明らかになった。この役割は、*twist* 依存的に腹側でのミオシンの減少によって調節されていた。
• 解析により、ミオシンの空間的変調および長距離の機械的相互作用が、全組織の形態形成の流れを調整するために不可欠であることが明らかになった。