Analysis and modeling of microtubule array self-organization
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2020Metadata
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Universidad de Chile
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Analysis and modeling of microtubule array self-organization
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Professor Advisor
Abstract
La orientación del plano de división celular guía la morfogénesis de tejidos en
animales y plantas. Particularmente en animales, los problemas en la orientación
del plano de división son la causa de enfermedades como el cáncer de colon y la
microcefalia primaria autosómica recesiva; mientras que en células de plantas, las
divisiones celulares orientadas incorrectamente afectan la formación y organización
de los tejidos. Se han propuesto reglas homólogas de división celular para ambos
tipos de células. Estas reglas consideran las propiedades geométricas de cada
célula y señalan que en divisiones simétricas, el plano de división se posiciona
minimizando el área y generando dos células hijas de igual volumen. Sin embargo, a
diferencia de las células animales, las células de plantas, tienen una forma definida
debido a la pared celular que las rodea, por lo que resulta un modelo apropiado para
comprender la relación entre la forma y el posicionamiento del plano de división.
Específicamente en plantas, el mecanismo celular detrás de la localización del plano
se basa en el ensamblaje de una estructura citoesquelética, la banda preprofásica o
PPB, la cual está formada por microtubulos (MTs) corticales ubicados en el futuro
sitio de división. En este respecto, existe una amplia evidencia de que la inestabilidad
dinámica de los MTs y la interacción MT-MT contribuye a la formación de la PPB.
Además, la organización de los MTs es afectada por el borde de la célula y por
lo tanto por la geometría celular. Sin embargo, todavía no está claro cómo estos
factores conducen a la formación y localización de la PPB.
En esta tesis, nosotros confirmamos la hipótesis que la dinámica de los MTs
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y la interacción de los MTs con el borde de las célula son suficientes para
explicar el posicionamiento de la PPB en configuraciones que minimIzan su
área. La hipótesis fue validada usando dos líneas transgénicas del modelo biológico
Marchantia polymorpha, Lit6b-mCitrin y tub1-GFP.
Para probar la regla de división celular, seguimos la formación del plano de división
a través de microscopía confocal. En éstas imágenes medimos la proporción de
células que se dividen a lo largo de los planos de división más cortos predichos por
la regla de división geométrica. Este análisis mostró que el 80% de las células se
dividen a lo largo del plano de división más corto, con una proporción decreciente de
células que se dividen en los otros planos. Con esto, fue validada la regla de división
celular geométrica en Marchantia polymorpha.
Luego, para estudiar la relación de la forma celular con la organización de los MTs
en interfase, analizamos la orientación global de los MTs. Así, observamos que
el 50% de las células dirigen los MTs siguiendo la orientación del plano más corto
predicho por la regla de división celular. Por lo tanto, los MTs responden a la forma
de la célula para organizar la red microtubular.
En el momento en que se finaliza la interfase (preprofase) y se gatilla la división
celular, la red microtubular se auto-organiza para formar la PPB. Para estudiar este
proceso realizamos un seguimiento de la PPB, para lo cual adquirimos imágenes con
una alta resolución temporal y espacial de la distribución de MTs. Usando métodos
cuantitativos, confirmamos que los MTs se alinean a lo largo de los planos de división
predichos por la regla geométrica. Adicionalmente, encontramos que los MTs se
orientan de forma ortogonal cercanos al borde de la célula. Esta característica se
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incluyó en el modelo biofísico propuesto.
Posteriormente, desarrollamos el modelo biofísico con el fin de explicar la regla
empírica de división. Para esto, simulamos la inestabilidad dinámica de los MTs, la
interacción MT-MT y la interacción de los MTs con el borde de la célula. Al imponer
un tiempo de pausa en el borde de la célula, obtuvimos una correlación entre la
orientación microtubular predicha por el modelo y los patrones de MTs observados
experimentalmente. De esta forma, logramos generar una estructura similar a la PPB.
En resumen, en esta tesis doctoral encontramos que las propiedades dinámicas de
los MTs y el tiempo de pausa en el borde celular son suficientes para explicar la
formación de la PPB en una configuración que minimiza su área.
Estos resultados proporcionan la base para comprender el mecanismo dinámico
detrás del establecimiento del plano de división en células de planta y podría, por
analogía, contribuir a un mejor entendimiento de las enfermedades causadas por el
mal posicionamiento del plano de división en células animales. The orientation of cell division guides the morphogenesis of tissues in animals and
plants. In animals, the mis-orientation of cell division is the cause of diseases such as
colon cancer and autosomal recessive primary microcephaly. In plant cells, orientated
cell divisions affect tissue formation and organization. In both animals and plants,
homologous cell division rules have been proposed, which consider the geometric
properties of the cell and postulate that in symmetric divisions, the division plane
is positioned such that its area is minimized while producing two daughter cells of
equal volume. Interestingly, plant cells have a defined shape due to the cell wall
that surrounds them, so it is natural to expect a relationship between shape and the
positioning of the division plane.
In plants, the cellular mechanism behind the localization of the division plane relies
on the assembly of a cytoskeletal structure, the preprophase band or PPB, which is
formed by cortical microtubules (MTs) at the future division site. There is extensive
evidence that the dynamic instability of MTs and their mutual interactions contribute
to the formation of the PPB. In addition, it has been shown that the organization of
MTs is affected by the border of the cell and therefore by the cell geometry. However,
it is not yet clear how these processes lead to the formation and localization of PPB.
In this thesis, we tested the hypothesis that microtubule dynamics and the
interaction of MTs with the cell edges are sufficient to explain the positioning
of the PPB in least-area configurations. Our hypothesis was validated using two
transgenic lines of the biological model Marchantia polymorpha, Lit6b-mCitrin and
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tub1-GFP.
To test the cell division rule in our system, we tracked the formation of new division
planes. We measured the proportion of cells that divide along the shortest alternative
division planes predicted by the rule. This analysis showed that 80% of the cells divide
along the shortest division plane, with a decreasing proportion of cells dividing in the
other planes. Hence, we validated the geometrical cell division rule in Marchantia
polymorpha.
To study MT organization in interphase in relation to cell shape, we analyzed the
global MT orientation. We found that 50% of the cells orient their MTs according to
the shortest plane predicted by the cell division rule. Therefore, MTs are able to
sense cell shape to organize into MT arrays.
When cell division is triggered, MTs self-organize to form the PPB. We followed
this process acquiring time-lapses with a high temporal and spatial resolution of MT
distribution. Using quantitative image analysis, we confirm that MTs are able to align
along the alternative division planes predicted by the division rule. We also found
that MTs were typically oriented orthogonal to the closest cell edge. This feature was
later included in our biophysical model of MT self-organization.
A biophysical model, developed in C++, was used to simulate the dynamic instability
of MTs and the MT-MT interactions within the confine of the cell geometry in order to
explain the empirical cell division rule. By imposing a pause time in the cell edges,
we obtained a correlation between the MT orientation predicted by the model and the
experimentally observed MT patterns. Interestingly, a PPB-lie structure was formed
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when the tri-dimensional cell shape was considered. In summary, in this PhD thesis
we found that the dynamic properties of MTs and the pause time at the cell border
are enough to explain the assembly of the PPB in least-area configuration.
These results provided a basis to understand the molecular mechanism behind the
selection of a division plane in plant cells and could, by analogy, contribute to a better
understanding of diseases caused by mis-positioning of the division plane in animal
cells.
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Tesis para optar al grado de doctor en ciencias biomedicas
Identifier
URI: https://repositorio.uchile.cl/handle/2250/199625
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