[论文解读] Active instability of cell-cell junctions at the onset of tissue fluidity

Matej Krajnc, Tomer Stern+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2021

Cellular Mechanics and Interactions被引用 6

一句话总结

本文提出了一种细胞-细胞连接的机械模型，将其视为动态的活性力偶极子，以解释组织流体性的产生。研究表明，连接不稳定性通过临界坍塌触发细胞内移，该过程由非线性弹性响应稳定，从而在能量尖点处产生极限环或连接凝聚；而集体不稳定性则驱动平面内有序排列或跨拓扑状态的振荡网络动力学。

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.

研究动机与目标

• 理解形态发生过程中驱动组织流体性的物理机制。
• 解决组织中活性细胞连接重塑缺乏机制理解的问题。
• 开发一个动态机械模型，以解释连接不稳定性如何触发细胞内移。
• 研究非线性弹性如何通过极限环或能量尖点处的连接凝聚来稳定连接坍塌。
• 探索导致连接网络平面内有序排列或振荡行为的集体不稳定性。

提出的方法

• 将细胞连接建模为产生内应力并驱动动态重塑的活性力偶极子。
• 应用非线性弹性理论分析连接网络的能量景观，识别坍塌发生的尖点。
• 使用稳定性分析确定连接坍塌变为临界状态并触发内移的条件。
• 通过连接偶极子之间的耦合引入集体不稳定性机制，以模拟大规模网络重组。
• 在不同拓扑结构下模拟网络动力学，观察极限环和面内有序性的出现。
• 分析非线性在通过周期性振荡或连接长度凝聚来稳定坍塌中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 细胞-细胞连接处的活性力偶极子如何诱导组织水平的流体性？
• RQ2 在不稳定性之后，哪些物理机制稳定了连接的临界坍塌？
• RQ3 非线性弹性响应是否会导致坍塌过程中出现极限环或连接长度凝聚？
• RQ4 在何种条件下会导致集体不稳定性，从而驱动连接网络的平面内有序排列？
• RQ5 集体振荡如何在活性连接系统中出现，并跨越不同的网络拓扑结构？

主要发现

• 活性连接的不稳定性触发临界坍塌，从而启动细胞内移事件。
• 非线性弹性通过在能量尖点处产生极限环或连接长度凝聚，稳定了坍塌。
• 连接网络中的集体不稳定性导致细胞的大规模平面内有序排列。
• 活性连接网络在不同拓扑构型下表现出持续的集体振荡极限环。
• 能量景观支持多个稳定态，连接凝聚发生在几何尖点处。
• 该模型预测，连接处的活性力可驱动无需外部信号的局部和全局重组。