[논문 리뷰] Small-scale demixing in confluent biological tissues

Preeti Sahu, Daniel M. Sussman외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 02.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 48인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 층상 상피 조직에서 세포 형상이나 크기의 차이가 단독으로 분리 현상을 유도할 수 있는지 여부를 검토하기 위해 버텍스 모델과 키라티노사이트 단층세포의 실시간 세포 영상 분석을 사용한다. 연구 결과, 대규모 혼합은 견고하게 유지되나, 형상의 상이성은 짧은 거리에서 미세한 분리 현상을 유도하며, 이는 T1 전환에 대한 에너지 장벽의 차이로 설명되며, E-카다헤린 결핍 키라티노사이트 혼합에서 실험적으로도 검증된다.

ABSTRACT

Surface tension governed by differential adhesion can drive fluid particle mixtures to sort into separate regions, i.e., demix. Does the same phenomenon occur in confluent biological tissues? We begin to answer this question for epithelial monolayers with a combination of theory via a vertex model and experiments on keratinocyte monolayers. Vertex models are distinct from particle models in that the interactions between the cells are shape-based, as opposed to distance-dependent. We investigate whether a disparity in cell shape or size alone is sufficient to drive demixing in bidisperse vertex model fluid mixtures. Surprisingly, we observe that both types of bidisperse systems robustly mix on large lengthscales. On the other hand, shape disparity generates slight demixing over a few cell diameters, a phenomenon we term micro-demixing. This result can be understood by examining the differential energy barriers for neighbor exchanges (T1 transitions). Experiments with mixtures of wild-type and E-cadherin-deficient keratinocytes on a substrate are consistent with the predicted phenomenon of micro-demixing, which biology may exploit to create subtle patterning. The robustness of mixing at large scales, however, suggests that despite some differences in cell shape and size, progenitor cells can readily mix throughout a developing tissue until acquiring means of recognizing cells of different types.

연구 동기 및 목표

• 세포 형상 또는 크기의 차이가 단독으로 층상 생물 조직에서 분리 현상을 유도할 수 있는지 규명하는 것.
• 기하학적 제약 조건과 T1 전환의 에너지 장벽이 세포 정렬 역학에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 버텍스 모델의 예측를 혼합 키라티노사이트 단층세포에서의 실험 데이터와 비교하는 것.
• 점착성의 차이 없이 형상의 상이성이 초래하는 미세 분리—짧은 거리의 분리—가 나타날 수 있는지 탐구하는 것.
• E-카다헤린 결핍 키라티노사이트를 사용하여 미세 분리가 조직 패턴 형성에 생물학적으로 의미 있는지를 평가하는 것.

제안 방법

• 형상 또는 크기가 다른 이중 분포 세포 집합을 가진 층상 상피 조직을 시뮬레이션하기 위해 2차원 버텍스 모델을 사용하였다.
• 세포 재배열을 모델링하기 위해 에너지 기반의 T1 전환 역학을 사용하였으며, 에너지 장벽은 세포 기하학적 특성에 따라 달라졌다.
• 다양한 형상 또는 크기의 상이성을 가진 시스템을 시뮬레이션하여 다양한 길이 척도에서 분리 경향성을 평가하였다.
• 콜라겐 코팅된 도자기판에서 혼합된 유전자형 및 E-카다헤린 결핍 마우스 키라티노사이트를 실시간 세포 영상 촬영하였다.
• 세포 유형을 구분하고 시간에 따라 분리 현상을 추적하기 위해 형광 레이블링(셀트래커 염료)을 사용하였으며, 저농도 및 고농도 Ca2+ 조건에서 실험하였다.
• 세포 접합 마커(ZO-1, JAM-A)와 핵 레이블링(Hoechst)을 이용한 면역형광 염색을 수행하여 세포 경계 및 형상 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포 형상 또는 크기의 차이가 단독으로 층상 상피 단층세포에서 분리 현상을 유도할 수 있는가?
• RQ2 버텍스 모델은 T1 전환 에너지 장벽의 차이로 인해 짧은 길이 척도에서의 미세 분리를 예측할 수 있는가?
• RQ3 예측된 미세 분리 현상은 실험적 키라티노사이트 혼합에서 관찰될 수 있는가?
• RQ4 E-카다헤린 결핍은 층상 조직 환경에서 세포 정렬 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 세포의 형상 또는 크기의 이질성에도 불구하고 대규모 혼합이 얼마나 지속되는가?

주요 결과

• 형상 또는 크기의 유일한 차이만 있는 이중 분포 버텍스 모델 시스템은 대규모 길이 척도에서 견고하게 혼합되며, 이는 매크로스코픽 분리가 일어나지 않음을 시사한다.
• 형상의 상이성은 몇 개의 세포 지름 수준의 짧은 거리에서 미세한 분리 현상을 유도하며, 이는 T1 전환에 대한 에너지 장벽의 차이와 일치한다.
• 유전자형 및 E-카다헤린 결핍 키라티노사이트 혼합 실험에서 관찰된 짧은 거리 분리 패턴은 모델의 예측와 일치한다.
• 관찰된 미세 분리는 점착성의 차이가 아니라 세포 형상의 변화로 인한 T1 전환 에너지 장벽의 차이로 기인한다.
• 세포의 형상 및 크기의 이질성에도 불구하고, 조상 세포는 특정 인식 메커니즘을 획득할 때까지 대규모 혼합을 유지할 수 있다.
• 버텍스 모델은 미세 분리의 발생을 성공적으로 모사하여, 층상 조직에서 기하학적 제약 조건을 연구하는 데의 유용성을 검증한다.