On contractile actomyosin waves and their role in junctional remodeling during epithelial constriction
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Author
Director
Solon, Jérôme
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Publication Date
Pages
223 p.
Embargo date
Citation
Sumi, A. On contractile actomyosin waves and their role in junctional remodeling during epithelial constriction. Universitat Pompeu Fabra; 2017. handle: http://hdl.handle.net/10803/565600
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Doctoral program
Programa de doctorat en Biomedicina
Abstract
Epithelial tissues undergo extensive remodeling during embryonic development. Recent studies have revealed that, in a number of developmental processes, epithelial remodeling is associated with pulsations of individual cell surface areas and cortical actomyosin flows. During Drosophila dorsal closure, the amnioserosa (AS), a contractile tissue covering the dorsal region of the embryo, shows contractile pulsations and regular actomyosin flows during the reduction of its apical surface area. The biophysical mechanism driving these shape pulsations as well as the role of contractile actomyosin waves in epithelial contraction and dorsal closure still remains unclear. In this project, we developed a biophysical model for cell shape oscillations that is based on intrinsic properties of the cell: cortex turnover, active contractility by force producing molecules and cell elasticity. We show that coupling these three key ingredients is sufficient for generating stable oscillations. Further, within this framework we were also able to generate waves by coupling the oscillating units and introducing a diffusion term to account for exchange of force producing molecules between the units. Next, we investigated the role for these contractile actomyosin waves in tissue remodeling. We developed a novel technique that allowed us to apply mechanical stretch on the AS tissue and study the response of cells to such stress. With this method, we were able to arrest the pulsatile contractions and actomyosin flows in AS cells. We show that this arrest is associated with the relocalisation of actin and myosin from the medial region of the cells towards the adherens junctions to maintain junction integrity upon stretch. This relocalisation of myosin directly correlates with the junctional strain and does not occur in cells that have excessive membrane material as a consequence of endocytosis inhibition. In the latter case, cells continue pulsing and seem to be “insensitive” to stretch. Upon stretch release, myosin relocalises to the medial area of the cell and pulsations resume. This indicates that cells can switch between two states depending on tension: one in which cells exhibit shape oscillations associated with contractile actomyosin pulses and waves, and the other where cell shape is stabilised with myosin preferentially localised at the cell junctions. Further, following release from long duration ( >10mins ) stretch application, cell junctions were highly wrinkled. Strong and consistent localisation of myosin waves at these regions led to straightening and reduction of junctional lengths. Moreover, during dorsal closure, AS cells constantly reduce their areas while maintaining junctions of consistent thickness and length relative to area. This is not the case where endocytosis is blocked or myosin activity is down-regulated. Our results not only shed light on fundamental physical properties of the actomyosin cortex, in particular they also indicate a role of myosin contractile waves in junctional remodeling during AS cell constriction.
Los tejidos epiteliales llevan a cabo una remodelación extensiva durante el desarrollo embrionario. Estudios recientes han revelada que, en un sinnumero de procesos de desarrollo embrionario, la remodelación epitelial se asocia con pulsaciones de áreas en células individuales y con flujos corticales de actomiosina. Durante el cierre dorsal de Drosophila, la amnioserosa (AS), un tejido contractil que cubre la región dorsal del embrión, se observan pulsaciones contráctiles en células individuales y flujos regulares de actomiosina durante la reducción de la superficial apical celular. Al día de hoy, no se conoce el mecanismo biofísico que produce estas pulsaciones celulares ni y el papel que tienen las oscilaciones contráctiles de actomiosina en el epitelio del cierre dorsal embrionario. En este proyecto, se desarrolló un modelo biofísico para entender estas oscilaciones celulares. El modelo se basa en propiedades intrínsecas de la célula como la rotación de la corteza celular, la contractilidad activa mediante moléculas productoras de fuerza y la elasticidad celular. Utilizando éste modelo, se muestra que acoplando estas tres propiedades clave es suficiente para generar oscilaciones celulares estables. Además, dentro de este marco, se han generado oscilaciones mediante el acoplamiento de varias unidades oscilantes y la introducción de un término de difusión para considerar el intercambio de moléculas productoras de fuerza entre las unidades. A continuación, se investigó el papel de estas oscilaciones contráctiles de actomiosina en la remodelación de tejidos. Como resultado, se desarrolla una técnica innovadora que permite aplicar extensión mecánica al tejido de AS y estudiar la respuesta celular ante tal estrés. Con este método, se pueden detener las pulsaciones contráctiles y los flujos de actomiosina en células de la AS. Se muestra que este arresto celular está asociado con la relocalización de actina y miosina de la región central de las células hacia las uniones adherentes intercelulares para mantener su integridad durante la extension epitelial. Esta relocalización de miosina se correlaciona directamente con la tensión en uniones intercelulares y no ocurre en células en las que el reciclaje cellular a través de endocitosis se ha bloqueado. El resultado es un exceso en la acumulación de membrana plasmática en células oscilantes que no responden a la extension epitelial. Tras liberar al tejido de la extension epithelial, la miosina se relocaliza a la área central de las células y las pulsaciones continuan. Esto indica que las células pueden cambiar entre dos estados según la tension aplicada: uno dónde las células muestran oscilaciones asociadas con pulsaciones contráctiles de actomiosina, y otra donde la forma celular se establece con la localización preferente de miosina en las uniones intercelulares. Además, tras liberar el tejido de una extensión de alta duración (>10mins), las uniones intercelulares sufrieron corrugaciones. La localización consistente de oscilaciones de miosina en las regions corrugadas, resulta en una extension y reducción en la longitud de las uniones intercelulares. Además, durante el cierre dorsal, las células de la AS reducen sus areas constantemente, mientras mantienen uniones intercelulares de espesor consistente y longitud relativa a su área. Esto no es el caso cuando la endocitosis se bloquea o la actividad de miosina se reduce. Nuestros resultados no solo muestran las propiedades fundamentales de la corteza cellular de actomiosina, también indican el papel de oscilaciones contráctiles de miosina en la remodelación de uniones intercelulares durante la constricción de la AS.
Los tejidos epiteliales llevan a cabo una remodelación extensiva durante el desarrollo embrionario. Estudios recientes han revelada que, en un sinnumero de procesos de desarrollo embrionario, la remodelación epitelial se asocia con pulsaciones de áreas en células individuales y con flujos corticales de actomiosina. Durante el cierre dorsal de Drosophila, la amnioserosa (AS), un tejido contractil que cubre la región dorsal del embrión, se observan pulsaciones contráctiles en células individuales y flujos regulares de actomiosina durante la reducción de la superficial apical celular. Al día de hoy, no se conoce el mecanismo biofísico que produce estas pulsaciones celulares ni y el papel que tienen las oscilaciones contráctiles de actomiosina en el epitelio del cierre dorsal embrionario. En este proyecto, se desarrolló un modelo biofísico para entender estas oscilaciones celulares. El modelo se basa en propiedades intrínsecas de la célula como la rotación de la corteza celular, la contractilidad activa mediante moléculas productoras de fuerza y la elasticidad celular. Utilizando éste modelo, se muestra que acoplando estas tres propiedades clave es suficiente para generar oscilaciones celulares estables. Además, dentro de este marco, se han generado oscilaciones mediante el acoplamiento de varias unidades oscilantes y la introducción de un término de difusión para considerar el intercambio de moléculas productoras de fuerza entre las unidades. A continuación, se investigó el papel de estas oscilaciones contráctiles de actomiosina en la remodelación de tejidos. Como resultado, se desarrolla una técnica innovadora que permite aplicar extensión mecánica al tejido de AS y estudiar la respuesta celular ante tal estrés. Con este método, se pueden detener las pulsaciones contráctiles y los flujos de actomiosina en células de la AS. Se muestra que este arresto celular está asociado con la relocalización de actina y miosina de la región central de las células hacia las uniones adherentes intercelulares para mantener su integridad durante la extension epitelial. Esta relocalización de miosina se correlaciona directamente con la tensión en uniones intercelulares y no ocurre en células en las que el reciclaje cellular a través de endocitosis se ha bloqueado. El resultado es un exceso en la acumulación de membrana plasmática en células oscilantes que no responden a la extension epitelial. Tras liberar al tejido de la extension epithelial, la miosina se relocaliza a la área central de las células y las pulsaciones continuan. Esto indica que las células pueden cambiar entre dos estados según la tension aplicada: uno dónde las células muestran oscilaciones asociadas con pulsaciones contráctiles de actomiosina, y otra donde la forma celular se establece con la localización preferente de miosina en las uniones intercelulares. Además, tras liberar el tejido de una extensión de alta duración (>10mins), las uniones intercelulares sufrieron corrugaciones. La localización consistente de oscilaciones de miosina en las regions corrugadas, resulta en una extension y reducción en la longitud de las uniones intercelulares. Además, durante el cierre dorsal, las células de la AS reducen sus areas constantemente, mientras mantienen uniones intercelulares de espesor consistente y longitud relativa a su área. Esto no es el caso cuando la endocitosis se bloquea o la actividad de miosina se reduce. Nuestros resultados no solo muestran las propiedades fundamentales de la corteza cellular de actomiosina, también indican el papel de oscilaciones contráctiles de miosina en la remodelación de uniones intercelulares durante la constricción de la AS.
Keywords
Actomyosin, Endocytosis, Actomiosina, Endocitosis, Contractile pulses, Mechanical stress, Adherens junction, Pulsaciones contráctiles, Estrés mecánica, Uniones adherentes, Adherens junction
Subjects
577 - Biochemistry. Molecular biology. Biophysics
Publisher
Universitat Pompeu Fabra
