[论文解读] Multicellular actomyosin cables in epithelia under external anisotropic stress

Meryl Spencer, Jesús M. López-Gay+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2018

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 38被引用 5

一句话总结

本研究引入两种定量指标——细胞凹陷度与力链分支度——以评估组织的“成缆能力”（cableness），即在各向异性应力下形成平行多细胞肌球蛋白-肌动蛋白束的潜力。通过顶点模型，作者表明被动细胞流动会降低成缆能力，而定向细胞分裂则能增强它，从而实现稳定束的形成；该结论在果蝇蛹期表皮组织中得到验证，该组织在定向分裂后发生向更利于成缆的拓扑结构转变。

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.

研究动机与目标

• 理解组织拓扑结构如何影响上皮细胞在外部各向异性应力下形成多细胞肌球蛋白-肌动蛋白束的能力。
• 开发用于评估组织固有成缆能力的定量指标，且该能力独立于主动信号传导。
• 研究被动细胞流动或定向细胞分裂是否改变组织形成稳定、平行束的能力。
• 利用果蝇蛹期表皮组织在生物学背景下验证这些指标。

提出的方法

• 使用计算顶点模型模拟在各向异性拉伸应力下的上皮组织，以研究细胞重排与力分布。
• 引入两项指标：(1) 组织拉伸后凹陷细胞的百分比，(2) 组织网络中力链分支的程度。
• 模型同时模拟被动细胞流动（通过T1转变）与定向细胞分裂，以评估其对成缆能力的影响。
• 将这些指标应用于果蝇蛹期翅表皮的一个区域，追踪发育过程中拓扑结构的变化。
• 理论分析将组织拓扑结构与机械稳定性及成缆形成潜力联系起来。
• 该框架区分了组织的固有拓扑结构（成缆能力）与对应力的动态响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 上皮细胞初始排列拓扑结构在多大程度上影响其在各向异性应力下形成平行多细胞肌球蛋白-肌动蛋白束的能力？
• RQ2 由外部应力诱导的被动细胞流动在多大程度上降低组织形成稳定、平行束的能力？
• RQ3 定向细胞分裂能否通过改善组织拓扑结构来促进多个平行肌球蛋白-肌动蛋白束的形成？
• RQ4 所提出的成缆能力指标（凹陷度与力链分支度）与真实组织中实际束形成之间的相关性如何？
• RQ5 果蝇蛹期表皮组织在发育过程中是否发生向更高成缆能力的拓扑结构转变？若发生，何时发生，原因是什么？

主要发现

• 沿高应力方向的被动细胞流动会降低组织的成缆能力，破坏形成束所需连接的对齐。
• 沿高应力方向的定向细胞分裂通过将细胞排列重组为有利于平行束组装的构型，从而提高组织的成缆能力。
• 提出的两项指标——凹陷细胞百分比与力链分支度——能有效量化组织在应力下固有的成缆能力。
• 在果蝇蛹期翅表皮中，定向细胞分裂波发生后，组织出现可测量的向更利于成缆的拓扑结构转变。
• 高成缆能力的组织可在应力下形成多个稳定、平行的肌球蛋白-肌动蛋白束，而低成缆能力的组织则形成少量或无束。
• 本研究表明，成缆能力是组织的一种拓扑属性，取决于取向有序性与整体无序程度，而不仅仅是边的对齐。