Mechanisms and functions of the nucleus as a mechano-controller of cell contractility and migration plasticity

Abstract

Living tissues are crowded and dynamic environments, in which signalling molecules and physical forces constantly act on single cells. To ensure correct tissue development and homeostasis, cells function like small processors: they measure and integrate the various mechano-chemical inputs they receive from their surrounding. As an output, cells translate this information into specific signalling pathways controlling their behavior, cell specification or their physical properties, among others. %Cells can detect changes in chemicals and signalling molecules thanks to specific receptors on their surface, and the associated signalling cascades have been well characterized. In particular, as tissues are built, when external stresses are applied, or when cells rearrange and move, single cells can undergo dynamic shape deformations. Previous studies showed that large cell deformations in confined environments control cellular contractility by tuning myosin II motor protein activity and can transform various cell types into a novel amoeboid phenotype, termed stable-bleb. Still, how single cells can sense shape changes and, as a consequence, tune myosin II activity and cell behaviour remained unknown.

Here, by combining planar micro-confinement assays with live cell fluorescence microscopy and quantitative image analysis, we performed a systematic study to characterize the response of progenitor stem cells derived from zebrafish embryos to mechanical shape deformations. By quantifying cellular contractility levels in various conditions and by interfering with specific signalling pathway, we then aimed to identify the mechano-sensitive mechanism that allows cells to sense and respond to shape changes. We found that cells can measure different degrees of confinement, which accordingly defines their contractility set-point. We discovered that the nucleus, the largest cellular organelle, acts as an intracellular mechano-sensor for large cell shape changes. Nucleus deformation induced an unfolding of the inner nuclear membrane, which controls the activity of cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) in the nucleus. When active, cPLA2 triggers the release of arachidonic acid that activates myosin II through the Rho/ROCK pathway. As a result, the nucleus allows single cells to accurately and dynamically sense shape deformations and controls cellular contractility and migration plasticity under external force load. This process, further equips cells with an "escape reflex mechanism" that allows migration away from confined environments. Moreover, the combination of inner nuclear membrane unfolding and intracellular nucleus positioning, allows cells to sense and distinguish different shape deformations, as anisotropic cell compression versus isotropic swelling, through the same mechano-sensitive pathway. Our data support that the nucleus establishes a functional module for cellular mechano-transduction, enabling cells to sense and interpret different types of shape changes and to dynamically adapt their behavior to mechanical forces in the 3D microenvironment.

Los tejidos son estructuras compactas y dinámicas, en las que moléculas de señalización y fuerzas físicas actúan constantemente sobre células individuales. Para garantizar el correcto desarrollo y homeostasis de los tejidos, las células funcionan como pequeños procesadores: miden e integran las diversas señales mecano-químicas que reciben de su entorno. Como resultado, las células traducen esta información en vías de señalización específicas que controlan su comportamiento, la especificación celular o sus propiedades físicas, entre otras. Concretamente, células individuales pueden experimentar deformaciones dinámicas de su morfología durante distintos procesos, ya sea durante la formación de los tejidos, la aplicación de tensiones externas o la reorganización y motilidad celular. Según estudios anteriores, las deformaciones celulares causadas por entornos confinados controlan la contractilidad celular mediante la regulación de la actividad de la proteína miosina II. De éste modo, las células adoptan un fenotipo ameboide, denominado stable-bleb. Éste fenómeno se observò en varios tipos celulares pero aún se desconoce cómo las células individuales pueden percibir los cambios de forma y, en consecuencia, ajustar la actividad de la miosina II y su comportamiento. En éste trabajo, hemos combinado el micro-confinamiento planar de células vivas con microscopia fluorescente y el análisis cuantitativo de las imágenes para realizar un estudio sistemático de caracterización de la respuesta celular a deformaciones mecánicas en células embrionarias de pez cebra. Mediante la cuantificación de los niveles de contractilidad celular en diversas condiciones y la interferencia con vías de señalización específicas, pretendemos identificar el mecanismo mecanosensitivo que permite a las células detectar y responder a los cambios de forma. Los resultados nos mostraron que las células pueden medir diferentes grados de confinamiento y en consecuencia ajustar sus contractilidad. Descubrimos que el núcleo, el mayor orgánulo celular, actúa como un mecanosensor intracelular para grandes cambios de forma celular. La deformación del núcleo induce el despliegue de la membrana nuclear interna, que controla la actividad de la fosfolipasa A2 citosólica (cPLA$_2$) en el núcleo. Cuando se encuentra activo, el cPLA$_2$ desencadena la liberación de ácido araquidónico que a su vez activa la miosina II a través de Rho/ROCK. Como resultado, el núcleo permite a la célula percibir sus forma y deformaciones dinámicas, y controlar la contractilidad celular y la plasticidad de la migración bajo fuerzas externas. Este proceso, además, dota a las células con un "reflejo de fuga" que permite la migración fuera de entornos confinados. Además, la combinación del despliegue de la membrana nuclear interna con el posicionamiento intracelular del núcleo, permite a las células percibir y distinguir diferentes tipos de deformación, tales como la compresión anisotrópica o la hinchazón isotrópica, a través de la misma vía mecanosensitiva. Nuestros datos sugieren que el núcleo establece un módulo funcional para la mecano-transducción celular, permitiendo a las células percibir e interpretar diferentes tipos de deformación y adaptar su comportamiento de manera dinámica frente a las fuerzas mecánicas de su microambiente.