[논문 리뷰] Quantification of myosin distribution predicts global morphogenetic flow in the fly embryo

Sebastian J. Streichan, Matthew F Lefebvre외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 24.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 *Drosophila* 배아의 간장화 과정 동안 전역적 조직 유동을 예측하기 위해 군집화된 미오신 텐서를 사용한 점탄성 모델을 제안한다. 라이트시트 현미경, 세그멘테이션 없는 영상 분석 및 유한요소 역해석을 융합함으로써, 모델은 측정된 흐름과 최대 90%의 일치도를 달성하며, 장거리 기계적 결합 및 미오신 분포의 공간적 조절—특히 기저면에서의 미오신 비대칭성—이 형태 발생 조율에 핵심적임을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모자란 *Drosophila* 간장화 과정에서 국소적 미오신 활동이 전역적 조직 형태 발생을 어떻게 조율하는지 이해하기 위해.
• 정량적 물리 모델링을 통해 분자 척도의 미오신 역학과 기관 척도의 조직 유동을 연결하기 위해.
• 세포별 세그멘테이션을 요구하지 않고도 복잡한 유동 패턴을 예측할 수 있는 단순화된 점탄성 모델이 전역적 매개변수를 사용해 복잡한 흐름 패턴을 예측할 수 있는지 확인하기 위해.
• 기계적 결합과 공간적 미오신 이방향성이 장거리 유동 조율을 가능하게 하는 방식을 조사하기 위해.

제안 방법

• 간장화 전반 동안 3D 시간분해 영상으로 배아의 역학을 촬영하기 위해 전체 영역 라이트시트 현미경을 사용하였다.
• 원시 형광 데이터에서 직접 조직 유동장과 미오신 분포를 정량화하기 위해 세그멘테이션 없는 영상 분석을 적용하였다.
• 위상 및 기저면 세포 표면에서의 미오신 농도와 이방향성을 모두 표현하는 군집화된 미오신 텐서를 정의하였다.
• 연속체 점탄성 모델을 수립하여 조직 유동 속도가 미오신 텐서의 발산에 비례하도록 하였다: $\nu\partial_b^2 v_a + \nu'\partial_a\partial_b v_b = \partial_b m_{ab}$.
• 유한요소법(FEM)을 FELICITY 도구상자에서 사용하여 3D 삼각형 메esh로 구성된 배아에 대해 응력-유동 관계를 역해석하였으며, 미오신 패atters로부터 유동을 추정하였다.
• 전역적 스케일링 오차에서 발생하는 편향을 줄이기 위해 스케일 불변 잔차 지표를 도입하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단지 세 개의 전역적 매개변수만을 사용하는 단순한 점탄성 모델이 *Drosophila* 배아에서 복잡한 대규모 조직 유동 패턴을 예측할 수 있는가?
• RQ2 위상 및 기저면에서의 미오신 분포가 간장화 과정에서 서로 다른 유동장 구성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 유동은 국소적 미오신 활동에 의해 주로 유도되는가, 아니면 세포 간 장거리 기계적 결합에 의해 주로 유도되는가?
• RQ4 기저면에서의 미오신이 후방 방향 유동을 생성하는 데 기여하는 기능적 역할은 무엇이며, 형태 발생 과정에서 어떻게 조절되는가?
• RQ5 배아의 영역 불압축성의 시작이 미오신 힘과 조직 유동 간의 관계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 전역적 매개변수 세 개만을 사용하여 예측된 유동 패턴과 측정된 유동 패턴 간 최대 90%의 일치도를 달성하며 강력한 예측 능력을 입증하였다.
• 세 가지의 유동장 구성—예비 유동형성(VF), 유동형성(VF), 그리고 배아줄기 확장(GBE)—이 각각 고유한 공간적 미오신 분포 패턴과 관련이 있음을 규명하였다.
• 기저면에서의 미오신은 예비 VF 단계에서 후배축 비대칭성을 보이며, 이는 후방 유동의 수거지와 복부 유동의 소스를 예측하여 초기 조직 유동을 이끌었다.
• 배아줄기 확장으로의 전환은 효과적인 영역 불압축성의 발생을 동반하며, 이는 미오신-유동 관계를 강하게 국소 외적인 것으로 변화시켰다.
• 기저면에서의 미오신이 후방 방향 유동을 생성하는 데 새로운 역할을 수행하며, 이는 *twist*-의존적 방식으로 복부 측면에서의 미오신 감소에 의해 조절됨을 밝혀냈다.
• 분석을 통해 공간적 미오신 조절과 장거리 기계적 상호작용이 전역적 형태 발생 유동 조율에 필수적임을 규명하였다.