[논문 리뷰] Active instability of cell-cell junctions at the onset of tissue fluidity

Matej Krajnc, Tomer Stern외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 18.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 조직 유동성 발생을 설명하기 위해 세포-세포 접합부를 동적 활성 힘 이중극으로 모델링하는 기계적 모델을 제안한다. 연구는 접합부의 불안정성이 임계 붕괴를 통해 세포의 상호배치를 유도하며, 비선형 탄성 반응이 에너지 절곡점에서 한계 사이클 또는 접합부 응집을 유도함으로써 이를 안정화함을 보여준다. 또한 집단적 불안정성이 다양한 위상 상태를 넘어서 평면 내 배열 또는 진동 네트워크 역학을 이끈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 형상 발생 중 조직 유동성을 이끄는 물리적 메커니즘을 이해한다.
• 조직 내에서 활성 세포 접합부 재편성의 메커니즘 부족 문제를 해결한다.
• 접합부 불안정성이 세포 상호배치를 어떻게 유도하는지 설명하기 위한 동적 기계적 모델을 개발한다.
• 비선형 탄성 반응이 에너지 절곡점에서 한계 사이클 또는 에너지 절곡점에서의 접합부 길이 응집을 통해 붕괴를 어떻게 안정화하는지 조사한다.
• 평면 내 배열 또는 진동 네트워크 역학을 유도하는 집단적 불안정성 메커니즘을 탐구한다.

제안 방법

• 세포 접합부를 내부 응력을 생성하고 동적 재편성을 이끄는 활성 힘 이중극으로 모델링한다.
• 비선형 탄성 이론을 적용하여 접합부 네트워크의 에너지 표면을 분석하고 붕괴가 발생하는 절곡점을 규명한다.
• 안정성 분석을 통해 접합부 붕괴가 임계 상태에 도달하고 상호배치를 유도하는 조건을 규명한다.
• 접합부 이중극 간의 결합을 통해 집단적 불안정성 메커니즘을 도입하여 대규모 네트워크 재편성을 시뮬레이션한다.
• 다양한 위상 구조를 가진 네트워크의 역학을 시뮬레이션하여 한계 사이클과 평면 내 배열의 발생을 관찰한다.
• 비선형성이 붕괴 안정화에 기여하는 방식, 즉 주기적 진동 또는 접합부 길이 응집을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포-세포 접합부에서 활성 힘 이중극이 조직 수준의 유동성을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 불안정성 이후 접합부의 임계 붕괴를 안정화시키는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 비선형 탄성 반응이 붕괴 중 한계 사이클 또는 접합부 길이 응집을 유도할 수 있는가?
• RQ4 어떤 조건에서 집단적 불안정성이 접합부 네트워크의 평면 내 배열을 유도하는가?
• RQ5 집단적 진동은 어떻게 발생하며 다양한 네트워크 위상에 걸쳐 어떻게 확장되는가?

주요 결과

• 활성 접합부의 불안정성이 임계 붕괴를 유도하며, 이는 세포 상호배치 사건을 시작한다.
• 비선형 탄성 반응이 에너지 절곡점에서 한계 사이클 또는 접합부 길이 응집을 통해 붕괴를 안정화시킨다.
• 접합부 네트워크의 집단적 불안정성이 세포의 대규모 평면 내 배열을 유도한다.
• 활성 접합부 네트워크는 다양한 위상 구성에서 지속적인 한계 사이클의 집단적 진동을 나타낸다.
• 에너지 표면는 다수의 안정된 상태를 지지하며, 접합부 응집은 기하학적 절곡점에서 발생한다.
• 모델은 활성 힘이 외부 자극 없이 국소적이고도 전역적 재편성을 이끌 수 있음을 예측한다.