[논문 리뷰] Multicellular actomyosin cables in epithelia under external anisotropic stress

Meryl Spencer, Jesús M. López-Gay외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 12.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 이방성 스트레스 하에서 다세포 액틴미오신 케이블을 형성할 수 있는 조직의 '케이블 가능성'(cableness)을 평가하기 위해 두 가지 정량적 측정치—세포 함몰도와 힘 체인 분기 수준—을 도입한다. 버텍스 모델을 사용하여 저자들은 수동적 세포 유동은 케이블 가능성을 감소시키고, 방향성이 있는 세포 분열은 이를 증가시켜 안정적인 케이블 형성을 가능하게 함을 보여준다. 이는 도라시필라 퇴행성 상피에서 검증되었으며, 방향성 있는 세포 분열 이후 조직의 케이블 우호적인 구조로의 전환이 일어남을 보여준다.

ABSTRACT

The alignment of cell-cell junctions and associated cortical actomyosin across multiple cells to form supracellular cables in an epithelium is an example of the long range tissue organization that drives morphogenesis. Here we demonstrate that the ability of tissues to assemble these parallel cables depends on the initial packing topology of the cells in the epithelium. Using a computational vertex model we develop two methods of measuring a disordered tissue's favorability to forming cables under an external stress. These measures quantify the deformation of cells and the distribution of tension in the tissue under stress. Using these measures we show that passive stress-induced cell flow reduces a tissue's ability to form cables, whereas oriented divisions create a packing which can sustain multiple parallel cables. These measures are applied to a region of the the Drosophila demonstrating a shift to a more cable-friendly packing after a wave of oriented divisions in the region.

연구 동기 및 목표

• 외부 이방성 스트레스 하에서 조직의 구조적 배치가 다세포 액틴미오신 케이블 형성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 활성 신호전달에 의존하지 않고도 조직의 내재된 평행 케이블 형성 능력을 평가할 수 있는 정량적 지표를 개발하기 위해.
• 수동적 세포 유동 또는 방향성 있는 세포 분열이 안정적이고 평행한 케이블 형성 능력에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 도라시필라 퇴행성 상피를 활용해 생물학적 맥락에서 이러한 지표들을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이방성 인장 스트레스 하에서 상피조직을 시뮬레이션하기 위해 컴퓨터 기반 버텍스 모델을 사용하여 세포 재배열과 힘 분포를 연구한다.
• 두 가지 측정치를 도입한다: (1) 조직을 늘인 후 함몰한 세포의 비율, (2) 조직 네트워크 내 힘 체인의 분기 정도.
• 수동적 세포 유동(전이 T1 전환을 통해)과 방향성 있는 세포 분열을 모두 시뮬레이션하여 케이블 가능성에 미치는 영향을 평가한다.
• 측정치를 도라시필라 퇴행성 날개 상피의 일부 영역에 적용하여 발달 과정 중 조직의 구조 변화를 추적한다.
• 이론적 분석을 통해 조직의 구조적 배치와 기계적 안정성 및 케이블 형성 가능성 간의 연관성을 규명한다.
• 이 프레임워크는 조직의 내재적 구조적 배치(케이블 가능성)와 스트레스에 대한 동적 반응을 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상적인 세포 패킹 구조가 이방성 스트레스 하에서 평행한 다세포 액틴미오신 케이블 형성 능력에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 외부 스트레스에 의해 유도된 수동적 세포 유동이 안정적이고 평행한 케이블 형성 능력을 얼마나 감소시키는가?
• RQ3 방향성 있는 세포 분열이 조직의 구조를 조정하여 다수의 평행한 액틴미오신 케이블 형성에 유리한 상태로 만들 수 있는가?
• RQ4 제안된 케이블 가능성 지표(함몰도와 힘 체인 분기 수준)가 실제 조직에서의 케이블 형성과 얼마나 관련이 있는가?
• RQ5 도라시필라 퇴행성 상피는 발달 과정에서 케이블 우호적인 구조로의 구조적 전환이 일어나는가? 만약 그렇다면 언제이고, 그 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 고스트레스 방향으로의 수동적 세포 유동은 케이블 형성에 필요한 접합의 정렬을 방해함으로써 조직의 케이블 가능성을 감소시킨다.
• 고스트레스 방향으로 이루어지는 방향성 있는 세포 분열은 세포 패킹을 평행 케이블 조립에 유리한 구조로 재편성함으로써 조직의 케이블 가능성을 증가시킨다.
• 제안된 두 가지 지표—함몰 세포 비율과 힘 체인 분기 수준—은 스트레스 하에서 조직의 내재적 케이블 형성 능력을 효과적으로 정량화한다.
• 도라시필라 퇴행성 날개 상피에서는 방향성 있는 세포 분열의 파동 이후 케이블 우호적인 구조로의 명백한 전환이 일어난다.
• 높은 케이블 가능성을 지닌 조직은 스트레스 하에서 다수의 안정적이고 평행한 액틴미오신 케이블을 형성하는 반면, 낮은 케이블 가능성 조직은 소수 또는 전혀 케이블을 형성하지 않는다.
• 이 연구는 케이블 가능성이 단지 가장자리 정렬만이 아니라 방향성 질서와 전체적인 무질서 수준에 의존하는 조직의 구조적 성질임을 입증한다.