[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过顶点模型和角质细胞单层的活细胞成像，探究了仅细胞形状或大小差异是否能驱动汇合上皮组织中的相分离。研究发现，尽管大尺度混合具有鲁棒性，但形状差异会在短距离内诱导细微的微相分离，其机制由T1转变的能量壁垒差异解释，并在E-钙黏蛋白缺陷的角质细胞混合物中得到实验验证。

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.

研究动机与目标

• 确定仅细胞形状或大小差异是否能驱动汇合生物组织中的相分离。
• 研究几何约束和T1转变能量壁垒在细胞排序动力学中的作用。
• 将顶点模型的预测与混合角质细胞单层的实验数据进行对比。
• 探讨微相分离——短程分离——是否可仅由形状差异引起而无需黏附力差异。
• 通过E-钙黏蛋白缺陷的角质细胞评估微相分离在组织分层中的生物相关性。

提出的方法

• 采用二维顶点模型模拟具有双分散细胞群体的汇合上皮组织，细胞在形状或大小上存在差异。
• 使用基于能量的T1转变动力学模拟细胞重排，能量壁垒取决于细胞几何形态。
• 模拟不同形状或大小差异的系统，以评估在不同尺度下的相分离倾向。
• 在包被胶原的培养皿上对混合的野生型和E-钙黏蛋白缺陷的小鼠角质细胞进行活细胞成像。
• 使用荧光标记（CellTracker染料）区分细胞类型，并在低钙和高钙条件下追踪随时间的相分离。
• 进行免疫荧光染色以检测连接标志物（ZO-1、JAM-A）和核染色（Hoechst），用于细胞边界和形状分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅细胞形状或大小差异是否能诱导汇合上皮单层中的相分离？
• RQ2 顶点模型是否能预测由于T1转变能量壁垒差异导致的短尺度微相分离？
• RQ3 预测的微相分离现象是否可在实验的角质细胞混合物中观察到？
• RQ4 E-钙黏蛋白缺陷如何影响汇合组织背景下细胞的排序动力学？
• RQ5 尽管细胞存在形状或大小差异，大尺度混合在多大程度上仍能持续存在？

主要发现

• 仅存在形状或大小差异的双分散顶点模型系统在大尺度上表现出稳健的混合，表明无宏观相分离。
• 形状差异在几个细胞直径的距离内诱导出细微的微相分离，与T1转变能量壁垒的差异一致。
• 混合的野生型和E-钙黏蛋白缺陷角质细胞实验显示出与模型预测相符的短程分离模式。
• 观察到的微相分离归因于细胞形状差异引起的T1转变能量壁垒差异，而非黏附力差异。
• 尽管细胞形状和大小存在异质性，祖细胞在获得特定识别机制前仍能保持大尺度混合。
• 顶点模型成功捕捉到微相分离的出现，验证了其在研究汇合组织中几何约束的适用性。