Mechanics of boundary formation in epithelial monolayers by Eph-ephrin interactions

Abstract

For an organism to develop and maintain homeostasis, cell types with distinct functions must often be separated by physical boundaries. The formation and maintenance of such boundaries is commonly attributed to local mechanisms restricted to the cells lining the boundary. Here we show that, besides these local subcellular mechanisms, the formation and maintenance of tissue boundaries involves long-lived, long-ranged mechanical patterns. We analyzed the formation of repulsive epithelial boundaries between two epithelial monolayers, one expressing the receptor tyrosine kinase EphB2 and one expressing its ligand ephrinB1. Upon contact, both monolayers exhibited oscillatory patterns of traction forces and intercellular stresses that spanned several cell rows and tended to pull cell-matrix adhesions away from the boundary. With time, monolayers jammed and supracellular mechanical patterns became long-lived, thereby permanently contributing to sustain tissue segregation. Jamming was paralleled by the emergence of soliton-like deformation waves that propagated away from the boundary. This phenomenon was not specific to EphB2-ephrinB1 repulsion but was also present during the formation of boundaries with an inert interface. Our findings thus unveil a global physical mechanism that sustains tissue separation independently of the biochemical and mechanical features of the local tissue boundary.

Para que un organismo desarrolle y mantenga la homeostasis, a menudo los tipos celulares con distintas funciones deben estar separados por barreras físicas. La formación y mantenimiento de dichas barreras se suele atribuir a mecanismos locales restringidos a las células que las bordean. En este trabajo mostramos que, además de estos mecanismos subcelulares locales, la formación y el mantenimiento de las barreras físicas entre tejidos implica patrones mecánicos de largo alcance y larga duración. En particular, hemos analizado la formación de barreras epiteliales repulsivas entre dos monocapas epiteliales, una que expresa el receptor tirosina quinasa EphB2 y otra que expresa su ligando ephrinB1. Tras el contacto, ambas monocapas exhibieron patrones oscilatorios de fuerzas de tracción y tensiones intercelulares que involucraban varias hileras de células y que tendían a retirar las adhesiones célula-matriz hacia fuera de la barrera. Con el paso del tiempo, las monocapas se densificaron y los patrones mecánicos supracelulares se volvieron estables, contribuyendo así a mantener la segregación tisular permanentemente. La aglomeración de células fue acompañada por la aparición de ondas de deformación, similares a solitones, que se propagaron hasta más allá del campo de visión. Este fenómeno no es específico de las barreras repulsivas controladas por el par EphB2-ephrinB1, sino que también aparecen cuando una única monocapa interfiere con una interfaz inerte. Nuestros hallazgos revelan un mecanismo físico global que mantiene la separación entre tejidos independientemente de las características bioquímicas y mecánicas del límite tisular local.