[论文解读] Quantification of myosin distribution predicts global morphogenetic flow in the fly embryo

Sebastian J. Streichan, Matthew F Lefebvre+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2017

Cellular Mechanics and Interactions被引用 5

一句话总结

本研究提出一种基于粗粒化肌球蛋白张量的粘弹性模型，用于预测果蝇原肠胚形成期间的全局组织流动。通过结合光片显微成像、无分割图像分析以及有限元反演方法，该模型与实测流动的吻合度高达90%，揭示了长程机械耦合以及肌球蛋白分布的空间调制——尤其是基底面肌球蛋白不对称性——在形态发生协调中的关键作用。

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.

研究动机与目标

• 理解局部肌球蛋白活性如何协调果蝇原肠胚形成期间的全局组织形态发生。
• 通过定量物理建模，建立分子尺度肌球蛋白动力学与器官尺度组织流动之间的桥梁。
• 确定仅使用全局参数的简化粘弹性模型是否能够预测复杂流动模式，而无需逐细胞分割。
• 研究机械耦合与空间肌球蛋白各向异性在实现长程流动协调中的作用。

提出的方法

• 采用整体光片显微成像技术，捕获原肠胚形成全过程中的3D、时间序列胚胎动态。
• 应用无分割图像分析方法，直接从原始荧光数据量化组织流动场与肌球蛋白分布。
• 定义粗粒化的肌球蛋白张量，以表征细胞顶面和基底面上肌球蛋白的浓度与各向异性。
• 构建连续体粘弹性模型，其中组织流动速度与肌球蛋白张量的散度成正比：$\nu\partial_b^2 v_a + \nu'\partial_a\partial_b v_b = \partial_b m_{ab}$。
• 在FELICITY工具箱中使用有限元方法（FEM）对3D三角化胚胎网格上的应力-流动关系进行反演，从肌球蛋白分布估计流动。
• 引入一种尺度不变的残差度量，用于比较预测与实测流动场，最大限度减少全局缩放误差的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用三个全局参数的简化粘弹性模型是否能够预测果蝇胚胎中复杂的大尺度组织流动模式？
• RQ2 顶面与基底面肌球蛋白的空间分布与原肠胚形成期间不同流动场构型之间存在何种关联？
• RQ3 组织流动在多大程度上由局部肌球蛋白活性驱动，而非细胞间的长程机械耦合？
• RQ4 基底肌球蛋白在产生背向流动中的功能角色是什么，其在形态发生过程中如何被调控？
• RQ5 在原肠延长过程中面积不可压缩性开始出现时，肌球蛋白驱动力与组织流动之间的关系如何变化？

主要发现

• 该模型仅使用三个全局参数，即实现了与实测流动模式高达90%的吻合度，展现出强大的预测能力。
• 识别出三种不同的流动场构型——预-VF期、VF期和GBE期——每种均与独特的空间肌球蛋白分布模式相关。
• 基底肌球蛋白表现出背-腹不对称性，可在预-VF期预测出背侧汇流点与腹侧源流，从而驱动早期组织流动。
• 原肠延长的过渡阶段伴随着有效面积不可压缩性的出现，使流动-肌球蛋白关系变得高度非局部化。
• 首次揭示了基底肌球蛋白在生成背向流动中的新功能，其受*twist*依赖的腹侧肌球蛋白减少所调控。
• 分析表明，肌球蛋白的空间调制与长程机械相互作用对于协调全局形态发生流动至关重要。