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Jun 04, 2023

La geometria e la dinamica della segregazione cellulare 3D sono governate dalla regolazione della tensione superficiale dei tessuti

Communications Biology volume 6, Numero articolo: 817 (2023) Cita questo articolo 521 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche La morfogenesi e il modello dei tessuti durante lo sviluppo comportano la segregazione di

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 817 (2023) Citare questo articolo

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La morfogenesi e il modello dei tessuti durante lo sviluppo comportano la segregazione dei tipi cellulari. La segregazione è guidata da tensioni superficiali tissutali differenziali generate dai tipi cellulari attraverso il controllo della formazione del contatto cellula-cellula regolando l'adesione e le tensioni corticali cellulari basate sulla contrattilità dell'actomiosina. Utilizziamo tipi di cellule di tessuto vertebrato e progenitori dello strato germinale del pesce zebra come modelli in vitro di segregazione eterotipica tridimensionale e abbiamo sviluppato un'analisi quantitativa della loro dinamica basata sulla microscopia time-lapse 3D. Mostriamo che l'inibizione generale della contrattilità dell'actomiosina da parte dell'inibitore della chinasi Rho Y27632 ritarda la segregazione. L'inibizione specifica del tipo cellulare dell'attività della miosina2 non muscolare mediante sovraespressione dell'inibitore dell'assemblaggio della miosina S100A4 riduce la tensione superficiale del tessuto, manifestata in una diminuzione della compattazione durante l'aggregazione e nella geometria invertita osservata durante la segregazione. Lo stesso si osserva quando esprimiamo un'isoforma di Rho chinasi costitutivamente attiva per mantenere ubiquitariamente elevata la contrattilità dell'actomiosina alle interfacce cellula-cellula e cellula-mezzo e quindi ignorando la regolazione specifica dell'interfaccia delle tensioni corticali. La regolazione della tensione superficiale dei tessuti può diventare uno strumento efficace nell’ingegneria dei tessuti.

L'auto-organizzazione dei tessuti, come la segregazione dei tipi cellulari in base alle loro proprietà biomeccaniche, è una componente importante dello sviluppo embrionale nei metazoi1,2,3. Esempi ben caratterizzati includono lo sviluppo del germoglio degli arti di pulcino4,5, la formazione di blastocisti nel topo6,7,8 nonché la gastrulazione e la formazione dello strato germinale negli embrioni di pesce zebra e Xenopus9,10,11,12. I campi emergenti dell’ingegneria tissutale e della biofabbricazione13 possono anche sfruttare i meccanismi (scoperti) di auto-organizzazione.

Su un lungo arco temporale, i tessuti si comportano come fluidi viscosi caratterizzati da una specifica tensione superficiale tissutale (TST), come manifestazione della coesione, che è determinata dall'adesione cellulare e dalla tensione corticale cellulare. I contributi relativi dell'adesione e della tensione corticale al TST sono affrontati da due ipotesi: l'ipotesi di adesione differenziale (DAH)4,14,15 e l'ipotesi di tensione interfacciale differenziale (DITH)16. Differenze specifiche nel TST sono considerate come i principali contributori alla segregazione/smistamento cellulare in vitro e in vivo e alla stratificazione dei tessuti durante lo sviluppo, sebbene altri meccanismi come la migrazione cellulare collettiva17,18 e la polarizzazione10 o l'osmolarità19 svolgano chiaramente un ruolo cruciale.

Nel corso della segregazione in vitro di diversi tipi cellulari, il tipo cellulare caratterizzato da un TST più alto tende a segregare all'interno, avvolto o fagocitato da cellule con TST più basso4,12,14,20,21,22. Per generare un TST elevato, la tensione interfacciale cellula-mezzo, costituita solo dalla tensione corticale cellulare, deve essere aumentata mentre la tensione interfacciale cellula-cellula deve essere diminuita, poiché il TST dipende dal rapporto tra interfaccia cellula-mezzo e cellula-cellula. tensioni dell’interfaccia cellulare. La tensione interfacciale cellula-cellula è composta principalmente da tensione corticale generata dalla contrazione dell'actomiosina mentre il contributo (negativo) della tensione di adesione è basso; pertanto la riduzione della tensione interfacciale cellula-cellula richiede una riduzione attiva della tensione corticale locale23.

È stata osservata deplezione della miosina 2 non muscolare (NM2) alle interfacce cellula-cellula in concomitanza con l'apparente accumulo di NM2 e actina all'interfaccia cellula-mezzo nei progenitori dello strato germinale in vitro e in vivo21,23. È stato dimostrato che la tensione meccanica corticale promuove la localizzazione corticale di NM2 negli embrioni di Drosophila con NM2 stesso che agisce come meccanosensore in questo processo di reclutamento24,25. La regolazione differenziale interfaccia-specifica della tensione corticale è una componente cruciale della generazione del TST e si ritiene che sia diretta dalla segnalazione proveniente dai complessi di adesione cellula-cellula al citoscheletro26. Questa via di segnalazione inizia dalle molecole di adesione della caderina che si legano alle caderine di un'altra cellula in contatto e reclutano le catenine intracellulari per formare un complesso. Tra gli altri, qui viene reclutata e attivata la p120-catenina (catenina-delta1), che inibisce RhoA, portando all'inattivazione della Rho chinasi e all'ulteriore inibizione a valle della contrattilità dell'actomiosina27,28,29,30,31.