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组织限制调节上皮细胞的生长和大小

John Devany, Martin J. Falk,利亚姆•j•霍尔特Arvind基于,玛格丽特Gardel

预印本发布于2022年7月5日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.07.04.498508v1

拥挤得让人不舒服:细胞在封闭状态下停止增殖以维持正常的组织结构,但如何进行呢?Devany和同事提出了一个定量框架来解决这个问题。

选择 尼古拉斯Hyun-Kee敏

背景

在健康组织中,细胞分裂受到空间限制,通过接触抑制增殖1.失去接触抑制会导致异常的组织结构,并可能引发实体肿瘤的开始2.机械应力对YAP细胞密度的激活作用3、4e -钙粘蛋白细胞粘附5已经被证明是接触抑制的必要条件,但缺乏一个关于组织限制如何调节细胞大小和细胞分裂以维持适当组织结构的整体模型。

在孤立系统中,细胞通过控制生长和分裂的反馈调节来维持其大小。例如,p38 MAPK在低于阈值大小的细胞中被激活,促进其生长。一旦细胞达到目标大小,CDK4就会在细胞周期中介导它们的进程6.类似的稳态调节细胞的生长和分裂被观察到在活的有机体内其中,小鼠表皮细胞使用“G1大小测定器”,它们改变G1持续时间,以一致的体积分裂,而不管它们出生时的大小7.细胞周期和生长有明显的单细胞和组织水平的调控。然而,这些不同水平的调控是如何相互作用来驱动成熟组织中的接触抑制的,目前尚不清楚。

Devany和同事试图通过利用一个在体外上皮细胞成熟模型。在胶原凝胶上培养的上皮细胞在不同阶段进行观察:(1)亚融合菌落,它们可以自由生长,不受接触抑制;(2)汇流开始时;(3)作为成熟的上皮细胞,细胞分裂和生长受到限制。他们发现成熟的上皮细胞更小,成熟过程中细胞的生长和分裂是不耦合的。他们模拟了禁闭,并证明禁闭调节Cyclin D1降解和细胞生长。利用他们的实验范式,作者建立了一个定量框架,组织限制细胞的生长和分裂。

重要发现

在成熟的上皮细胞中,细胞生长和分裂的不耦合导致细胞变小。

作者首先证明,与不受限制的菌落或单个细胞相比,组织和成熟的上皮细胞培养中细胞体积减少。为了确定细胞生长和分裂对细胞大小减少的贡献,作者使用CellTrace,一种细胞内染料,随着细胞大小的增长稀释信号,来测定生长和延时细胞计数来测量分裂。他们观察到生长和分裂的不耦合,在合流开始时生长突然停止,而分裂继续到成熟。为了证明这种解偶联导致成熟上皮细胞体积减少,他们在合流开始时有条件地表达细胞周期抑制剂p27或其无功能的突变体p27ck。当细胞周期被p27表达抑制时,他们观察到更大的细胞体积,表明生长停止的细胞分裂可能是导致细胞体积减少的原因。

图1。描述生长阻滞和细胞周期阻滞如何解耦联导致细胞体积减少的模型。SC:亚汇合,OC:汇合起始,ME:成熟上皮。改编自Devany等人,2022年。图2 j。

组织限制限制细胞生长,但不限制细胞周期长度

为了定量定义组织约束,作者开发了一个框架,在该框架中,他们将组织生长建模为组成单细胞的生长的集合(假设的最大指数速率)和观察到的生长速率。组织约束C被定义为观察到的组织生长与假设的最大指数速率的偏差程度,当它们相同时C=0,当没有观察到组织生长时C=1。然后,他们使用荧光细胞周期阶段标记物FUCCI,通过观察细胞生长和细胞周期长度来测试这个框架。这些结果再次表明,随着组织限制的增加,细胞生长急剧下降,但细胞周期长度保持不变。

图2。组织约束的数学和实验框架揭示了细胞生长停滞和细胞周期长度的解耦。改编自Devany等人,2022年。图4 f。

在“G1大小”模型中,Cyclin D1耗尽介导受限细胞周期阻滞。

然后,作者试图确定这种细胞生长和细胞周期不耦合背后的机制。首先,作者证实了“G1大小”模型7组织生长在封闭状态下,较小的细胞被阻滞在G1,直到它们达到一个阈值,进入细胞周期。然后,作者在成熟上皮细胞中表达较大细胞的p27,或表达p27ck或延迟表达p27的较小细胞中对细胞周期调节剂Cyclin D1进行免疫荧光检测。通过测量细胞核面积作为细胞大小的代用指标,作者发现Cyclin D1表达与细胞大小之间存在高度相关性,表明在生长停止的细胞中,后续的细胞周期停止可能通过Cyclin D1降解发生。为了验证这一点,作者在合流开始时过表达cyclin D1或降解抗性突变体cyclin D1 (CyDAA)。他们观察到细胞体积进一步减少到接近细胞核大小,以及DNA损伤,这表明在生长停止的小细胞中,Cyclin D1降解对细胞周期阻滞是必需的。如果Cyclin D1持续存在,细胞大小就会减少到和基因组一样小,从而导致DNA损伤。

我为什么选择这个研究

我记得2019年参加了Liam Holt博士在SickKids Research Institute的演讲,并对癌细胞如何适应日益增长的坐月子压力而生存和发展感到着迷。我最初被利亚姆·霍尔特博士的合著者所吸引。然而,当我读完预印本后,我决定强调这项研究,因为这里提出的组织约束的数学和实验框架的广泛适用性和实用性。作为一个演示,作者使用这个框架展示了成熟上皮细胞中组织约束如何与细胞生长和细胞周期长度相关。我可以看到它被用于不同的发育和疾病模型。例如,它可以用来描述如何调控细胞生长和细胞周期的组织约束是废除实体肿瘤模型。在我的脑肿瘤研究领域,它可以帮助模拟脑肿瘤和周围神经组织被颅骨限制来描述压迫的程度。

对作者的提问

  • 建模组织约束所需的一个参数是假设的最大指数速率,这对MDCK细胞是很好的特征。这个框架可以应用到其他情况下,当指数速率不是很好地描述?在这些情况下如何确定?
  • Cyclin D1是多种实体肿瘤类型中的致癌基因。本研究中描述的Cyclin D1过表达诱导的细胞萎缩和DNA损伤是Cyclin D1致癌的重要机制吗?

参考文献

  1. 麦克拉奇,A., &雅普,A.(2012)。接触抑制(增殖)复发。细胞生物学的最新观点, 24(5), 685 - 694。
  2. Pavel, M., Renna, M., Park, S., Menzies, F., Ricketts, T., & Füllgrabe, J.等(2018)。接触抑制通过YAP/ taz自噬轴控制细胞存活和增殖。自然通讯9(1)。
  3. Pan, Y., Heemskerk, I., Ibar, C., Shraiman, B., & Irvine, K.(2016)。差异生长触发机械反馈,提高河马信号。美国国家科学院学报113(45)。
  4. Ibar, C., Kirichenko, E., Keepers, B., Enners, E., Fleisch, K.和Irvine, K.(2018)。通过LIMD1调节哺乳动物河马信号的张力依赖性。细胞科学杂志
  5. Kim N., Koh E., Chen X, & Gumbiner, B.(2011)。E-cadherin通过Hippo信号通路成分介导增殖接触抑制。美国国家科学院学报108(29), 11930 - 11935。
  6. Tan, C., Ginzberg, M., Webster, R., Iyengar, S., Liu, S., & Papadopoli, D.等人(2021)。细胞大小的稳态是通过cdk4依赖的p38 MAPK激活来维持的。细胞发育56(12), 1756 - 1769. - e7。doi: 10.1016 / j.devcel.2021.04.030
  7. 谢淑萍,&斯科海姆,J.(2020)。G1大小器在小鼠表皮中协调生长和分裂。当代生物学30.(5), 916 - 924. - e2。doi: 10.1016 / j.cub.2019.12.062

标签:细胞监禁增长

发布日期:2022年8月10日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.32485

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作者的回应

约翰·德瓦尼和玛格丽特·加德尔分享

谢谢你对我们的工作感兴趣,也谢谢你提这么棒的问题。

  • 一个建模组织约束所需的参数是假设的最大指数速率,这对MDCK细胞是很好的特征。这个框架可以应用到其他情况下,当指数速率不是很好地描述?在这些情况下如何确定?

正如您指出的,我们测量MDCK细胞在单细胞和组织环境下的增殖,以确定组织约束,但是在活的有机体内单细胞行为无法被描述。有几种可能的方法来解决这个问题,以便确定组织限制在活的有机体内.我们对受限组织进行了模拟,发现受限会改变稳态下的细胞大小分布。因此,约束可以从尺寸分布估计。然而,这是假设组织中所有细胞都分裂为G1大小,并且是二倍体,因此对特定组织可能需要额外的修正或更复杂的模型。机械地拉伸组织可以提供一种干扰约束的方法在活的有机体内但要确定正常的限制,这还有待测试在体外使用我们的框架。这也将是一个有趣的方向,探索负责抑制生长的信号通路,以响应组织限制。例如,我们在MDCK细胞中发现了坐月子和YAP信号之间的关系。如果可以在不同的生物系统中进行这样的测量,并显示出与约束的一致相关性,那么YAP活性(或不同的途径)可以用于估计非特征系统中的组织约束在活的有机体内

  • Cyclin D1是多种实体肿瘤类型中的致癌基因。本研究中描述的Cyclin D1过表达诱导的细胞萎缩和DNA损伤是Cyclin D1致癌的重要机制吗?

Cyclin D1过表达和DNA损伤与癌症的联系也是我们一直在思考的一个有趣的方向。我们无法找到肿瘤中任何已发表的细胞大小测量数据,以确定肿瘤中Cyclin D1过表达和细胞大小调节缺失之间是否存在相关性。然而,小细胞癌在组织学上表现为异常小的细胞大小和高的核质体积比可能与此有关。这些癌症几乎总是有Rb1突变,这应该会导致类似于Cyclin D1过表达的G1/S调控缺失。小细胞癌发展的早期阶段可能涉及细胞大小调控的丧失和DNA损伤,从而导致进一步的突变和细胞转化。

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