On the orchestration of dorsal closure in Drosophila melanogaster : from tissue-scale control to cellular-scale remodeling

Abstract

The vast diversity of life on Earth develops from relatively uniform beginnings via self-organised movements occurring between groups of cells. Whilst the variety of shapes resulting from morphogenesis is boundless, the number of distinct geometrical and topological changes that it comprises, are limited. The control of biological form arises from an interplay between molecular biology and biomechanics. In this work we adopt a biophysical approach to study the regulation of a topological transformation that occurrs during the development of the fruit fly Drosophila melanogaster. Shortly before the Drosophila embryo transitions into a larva, it first covers its entire body in a single epidermal tissue layer. To achieve this, two layers of epidermis stretch laterally around the embryo and fuse dorsally, sealing a gap that was previously filled by a dying, pulsatile tissue, the amnioserosa (AS). This process is known as dorsal closure, and has drawn significant interest as a model system for other tissue fusion events, such as wound healing and neural tube closure. In this work, we first consider the global control of the process, deriving a biophysical description of the system from first physical principles: namely a force balance at the two corners (canthi) of the opening, and the Young- Laplace relationship around its contour. This represents an advancement on previous work in terms of the simplicity of the model, and the introduction of a term for AS volume loss to a two-dimensional description. In the second part of this thesis, we focus on the role of the pulsatile behaviour of the AS. We report on a new experimental assay for mechanically perturbing the Drosophila embryo. Combining this with the use of a novel method for extracting quantitative information from confocal cell images, we investigate the response of the AS to mechanical stretch. Finally, we propose a dual role for cortical myosin flows in the AS, both to offer structural supportjunctions are stretched, and to promote endocytotically mediated removal of excess junctions.

La gran diversitat de vida a la terra es va desenvolupar arran d’uns inicis relativament uniformes i mitjançant moviments autoorganitzats que varen ocórrer entre grups de cèl·lules. Mentre que la varietat de formes que sorgeixen de la morfogènesi és il·limitada, el nombre de canvis geomètrics i topològics que la constitueixen és limitat. El control de la forma biològica sorgeix de la interacció entre la biologia molecular i la biomecànica. En aquest treball hem adoptat una aproximació biofísica per estudiar la regulació d’una transformació topològica que té lloc durant el desenvolupament de la mosca de la fruita Drosophila melanogaster. Just abans que l’embrió de Drosophila esdevingui en larva, el seu cos es cobreix amb un únic estrat de teixit epidèrmic. Per aconseguir-lo, dues capes d’epidermis s’estiren lateralment envoltant l’embrió i es fusionen dorsalment, segellant un locus que prèviament estava ple d’un teixit mort i pulsatiu anomenat amnioserosa (AS). Aquest procés es coneix com a "tancament dorsal" i resulta de gran interès com a model per estudiar altres esdeveniments de fusió tissular, com ara la cicatrització de ferides o el tancament del tub neural. Amb aquest projecte, en primer lloc fem una anàlisi del control global del procés, derivant una descripció biofísica del sistema a partir de principis bàsics primordials de la física: aquests principis són una força d’equilibri en els dos cantons (canthi) de l’obertura, i la relació Young-Laplace al voltant del seu contorn. Aquest model representa un avenç en relació a treballs previs com a conseqüència de la seva simplicitat, i la introducció d’un terme per a la pèrdua de volum de l’AS en una descripció de dues dimensions. En la segona part de la tesi, ens centrem en el paper que té el comportament pulsatiu de l’AS, ampliant el coneixement existent sobre un nou assaig experimental que pertorba mecànicament l’embrió de la mosca Drosophila. Combinant aquesta aproximació amb un nou mètode per extreure informa-ció quantitativa d’imatges confocals de les cèl·lules, investiguem la resposta de l’AS a l’estrès mecànic. Finalment, proposem una doble funció per als fluxos corticals de miosina a l’AS: donant suport estructural a les unions que s’estiren i promovent l’eliminació de l’excés d’unions mitjançant l’endocitosi

Programa de doctorat en Biomedicina