Integer topological defects organize stresses driving tissue morphogenesis

形态发生 多细胞生物 拓扑(电路) 拓扑缺陷 整数(计算机科学) 功能(生物学) 物理 生物 细胞 细胞生物学 计算机科学 数学 组合数学 基因 量子力学 生物化学 遗传学 程序设计语言
作者
Pau Guillamat,Carlès Blanch-Mercader,Guillaume Pernollet,Karsten Kruse,Aurélien Roux
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (5): 588-597 被引量:73
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01194-5
摘要

Tissues acquire function and shape via differentiation and morphogenesis. Both processes are driven by coordinating cellular forces and shapes at the tissue scale, but general principles governing this interplay remain to be discovered. Here we report that self-organization of myoblasts around integer topological defects, namely spirals and asters, suffices to establish complex multicellular architectures. In particular, these arrangements can trigger localized cell differentiation or, alternatively, when differentiation is inhibited, they can drive the growth of swirling protrusions. Both localized differentiation and growth of cellular vortices require specific stress patterns. By analysing the experimental velocity and orientational fields through active gel theory, we show that integer topological defects can generate force gradients that concentrate compressive stresses. We reveal these gradients by assessing spatial changes in nuclear volume and deformations of elastic pillars. We propose integer topological defects as mechanical organizing centres controlling differentiation and morphogenesis.

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