Геометрия и динамика трехмерной сегрегации клеток регулируются регуляцией поверхностного натяжения ткани.

Биология связи, том 6, Номер статьи: 817 (2023) Цитировать эту статью

549 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Морфогенез тканей и формирование паттерна во время развития включают сегрегацию типов клеток. Сегрегация обусловлена дифференциальным поверхностным натяжением тканей, генерируемым типами клеток посредством контроля образования межклеточных контактов путем регулирования адгезии и клеточных кортикальных напряжений, основанных на сократимости актомиозина. Мы используем типы клеток тканей позвоночных и предшественники зародышевого листка рыбок данио в качестве моделей трехмерной гетеротипической сегрегации in vitro и разработали количественный анализ их динамики на основе трехмерной покадровой микроскопии. Мы показываем, что общее ингибирование сократимости актомиозина ингибитором Rho-киназы Y27632 задерживает сегрегацию. Специфическое для типа клеток ингибирование немышечной активности миозина2 за счет сверхэкспрессии ингибитора сборки миозина S100A4 снижает поверхностное натяжение ткани, что проявляется в уменьшении уплотнения во время агрегации и инвертированной геометрии, наблюдаемой во время сегрегации. То же самое наблюдается, когда мы экспрессируем конститутивно активную изоформу киназы Rho, чтобы повсеместно поддерживать высокую сократимость актомиозина на границах раздела клетка-клетка и клетка-среда и, таким образом, подавлять специфическую для интерфейса регуляцию корковых напряжений. Регулирование поверхностного натяжения тканей может стать эффективным инструментом тканевой инженерии.

Тканевая самоорганизация, такая как разделение типов клеток на основе их биомеханических свойств, является важным компонентом эмбрионального развития у многоклеточных животных1,2,3. Хорошо охарактеризованные примеры включают развитие зачатков конечностей кур 4,5, образование бластоцист у мышей 6,7,8, а также гаструляцию и формирование зародышевого листка у эмбрионов рыбок данио и Xenopus 9,10,11,12. Новые области тканевой инженерии и биопроизводства13 также могут использовать (открытые) механизмы самоорганизации.

В длительном временном масштабе ткани ведут себя как вязкие жидкости, характеризующиеся специфическим поверхностным натяжением ткани (TST), как проявление сцепления, которое определяется клеточной адгезией и клеточным корковым натяжением. Относительный вклад адгезии и коркового напряжения в TST рассматривается с помощью двух гипотез: гипотезы дифференциальной адгезии (DAH)4,14,15 и гипотезы дифференциального межфазного натяжения (DITH)16. Специфические различия в TST считаются основным фактором, способствующим сегрегации/сортировке клеток in vitro и in vivo и наслоению тканей в процессе развития, хотя другие механизмы, такие как коллективная миграция клеток17,18 и поляризация10 или осмолярность19, явно играют решающую роль.

В ходе сегрегации различных типов клеток in vitro тип клеток, характеризующийся более высоким TST, имеет тенденцию сегрегировать внутри, окутывать или поглощаться клетками с более низким TST4,12,14,20,21,22. Для создания высокого уровня TST необходимо увеличить межфазное натяжение между клетками и средой, состоящее только из напряжения коры клеток, тогда как межклеточное межфазное натяжение должно быть уменьшено, поскольку TST зависит от соотношения границ раздела между клетками и средой и клеток. напряжение межклеточного интерфейса. Межклеточное межфазное натяжение в основном состоит из коркового напряжения, генерируемого сокращением актомиозина, тогда как (отрицательный) вклад адгезионного напряжения невелик; поэтому снижение межклеточного межклеточного натяжения требует активного снижения локального коркового напряжения23.

Истощение немышечного миозина 2 (NM2) наблюдалось на межклеточных границах, что сопровождалось очевидным NM2 и накоплением актина на границе клетка-среда в предшественниках зародышевого листка in vitro и in vivo21,23. Было показано, что кортикальное механическое напряжение способствует кортикальной локализации NM2 у эмбрионов дрозофилы, причем сам NM2 действует как механосенсор в этом процессе рекрутирования24,25. Специфичная для интерфейса дифференциальная регуляция коркового напряжения является важнейшим компонентом генерации TST и, как полагают, направляется передачей сигналов от комплексов межклеточной адгезии к цитоскелету26. Этот сигнальный путь начинается с молекул адгезии кадгеринов, которые транссвязываются с кадгеринами другой контактирующей клетки и рекрутируют внутриклеточные катенины для образования комплекса. Среди прочего, здесь рекрутируется и активируется p120-катенин (катенин-дельта1), посредством чего он ингибирует RhoA, что приводит к инактивации киназы Rho и дальнейшему ингибированию сократимости актомиозина27,28,29,30,31.

30) for several hours until final spatial configurations of the segregated domains were reached. In all experiments, PFK cells were segregated inside the emerging spheroid aggregate while EPC cells formed the outer domain (Fig. 2a, Supplementary Movie 3). Next, we tested A431 human epithelial carcinoma cells and HT1080 human fibrosarcoma cells in mixtures and observed their segregation in aggregates (n > 20) until reaching the final spatial configurations of homotypic domains. Segregation dynamics was slower than observed for PFK + EPC fish keratinocytes, nevertheless, A431 epithelial cells were always segregated inside and HT1080 cells formed the enveloping outer layer of spheroids (Fig. 2b, Supplementary Movie 4). Finally, we used zebrafish (Danio rerio) progenitor cells, dissociated from induced ectoderm or mesoderm, for basic segregation experiments. Aggregates (n > 30) of mixed ectoderm and mesoderm cells were imaged for several hours and eventually ectoderm cells segregated to the inside while mesoderm cells to the outside (Fig. 2c, Supplementary Movie 5), in line with expectations based on earlier data showing higher homotypic contact strengths for ectoderm cells compared to mesoderm cells, measured after several minutes of contact time23,33./p>

1000 points in a single image. This analysis is repeated in all images of the z-stack of the time series originally recorded at 10 min intervals for various total durations ranging from 10 to 50 h, yielding 60 to 150 consecutive data points, specified for the given experimental condition. The number of cell clusters (i.e. individual 3D cell cultures) analyzed this way as independent entities are represented by the n number assigned to the specific experimental condition (cell type, treatment) and included in the legend of the relevant figure graph. These figure graphs show mean values +/− standard error of the mean (SEM) values calculated from cluster size data averaged from n > 1000 data points measured in 6 to10 z-planes for n number of independent cell cultures specified, and these are shown as individual data points in data series containing a time series 60 to 150 data points, depending on the specific experiment. For details see Supplementary Data 2 and Supplementary Data 4./p>

Блог

Геометрия и динамика трехмерной сегрегации клеток регулируются регуляцией поверхностного натяжения ткани.