[論文レビュー] Small-scale demixing in confluent biological tissues

Preeti Sahu, Daniel M. Sussman+8 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 48被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、2次元ボリュームモデルと角細胞単層のライブセルイメージングを用いて、コンfluuentな上皮組織における細胞形状やサイズの違いが、単独で混合分離を引き起こすかどうかを調査する。その結果、大規模な混合は安定的であるが、形状の差が短距離において微小な混合分離を誘発することが判明し、これはT1遷移のエネルギー障壁の差異によって説明される。実験的検証としてE-カデリン欠損の角細胞混合系でも同様の結果が得られた。

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.

研究の動機と目的

• 細胞形状やサイズの違いが、コンフラuentな生物学的組織において単独で混合分離を引き起こすかどうかを特定すること。
• 幾何的制約およびT1遷移のエネルギー障壁が、細胞の分離ダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• 2次元ボリュームモデルの予測を、形状やサイズが異なる混合角細胞単層からの実験データと照合して検証すること。
• 接着性の差がなくとも、形状の差異から微小な混合分離（短距離の分離）が生じるかどうかを検討すること。
• E-カデリン欠損の角細胞を用いて、微小な混合分離が組織パターン形成において生物学的に有意義であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 形状やサイズが異なる二様な細胞集団を有するコンフラuent上皮組織を模擬するため、2次元ボリュームモデルを用いた。
• エネルギーに基づくT1遷移ダイナミクスを用いて細胞再配置をモデル化し、エネルギー障壁は細胞の幾何学的形状に依存するように設定した。
• 異なる形状やサイズの差異を有する系をシミュレートし、さまざまな長尺度で混合分離の傾向を評価した。
• コラーゲンコーティングされたディッシュ上での、野生型およびE-カデリン欠損マウス角細胞の混合系を用いたライブセルイメージングを実施した。
• 細胞型を区別し、時間経過に伴う混合分離を追跡するため、蛍光標識（CellTracker染料）を用いた。低カルシウムおよび高カルシウム条件下での観察を実施した。
• 細胞接着部のマーカー（ZO-1、JAM-A）および核標識（Hoechst）を用いた免疫蛍光染色を行い、細胞境界および形状解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 形状やサイズの違いが、コンフラuent上皮単層において単独で混合分離を引き起こすことができるか？
• RQ2 2次元ボリュームモデルは、T1遷移のエネルギー障壁の差異によって、短距離スケールでの微小な混合分離を予測できるか？
• RQ3 予測された微小な混合分離現象は、実験的角細胞混合系で観察可能か？
• RQ4 E-カデリン欠損は、コンフラuentな組織環境下で細胞の分離ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 細胞の形状やサイズの不均一性が存在する中でも、大規模な混合がどの程度維持されるか？

主な発見

• 形状またはサイズの違いのみを有する二様なボリュームモデル系では、大規模スケールで強固な混合が観察され、顕著なマクロな混合分離は認められなかった。
• 形状の差が数個の細胞径の範囲で微小な混合分離を誘発しており、これはT1遷移のエネルギー障壁の差に起因するものと一致した。
• 野生型およびE-カデリン欠損角細胞の混合系における実験では、モデルの予測と一致する短距離分離パターンが観察された。
• 観察された微小な混合分離は、接着性の差異ではなく、細胞形状の差異に起因するT1遷移エネルギー障壁の差に起因するとされた。
• 細胞の形状やサイズの不均一性が存在する中でも、特異的な認識機構を獲得するまで、幹細胞は大規模な混合を維持できることが示された。
• 2次元ボリュームモデルは、微小な混合分離の出現を的確に捉えており、コンフラuent組織における幾何的制約を研究するうえで有効であることが検証された。