PDF, English Restricted access: Repository staff only until 21 July 2026. Login+Download (6MB) | Lizenz: An Optimum Cell Cycle Heterogeneity Times Tissue Fluidisation at the Onset of Zebrafish Morphogenesis by Schindler, Magdalena underlies the terms of Creative Commons Attribution 4.0

Abstract

Cell-to-cell heterogeneity is present in all biological systems. Whether such heterogeneity is disruption that needs to be controlled, or is actually required for biological processes is subject of debate. For my doctoral work, I focused on the role of heterogeneity in cell cycle dynamics in early embryogenesis. I focused on cell cleavages, reductive cell divisions at the start of embryonic development, that usually desynchronise before the onset of morphogenesis. Although cell cleavage dynamics are regulated at the single cell level, the cell-to-cell desynchronisation observed in early embryos is accompanied with collective behaviour, including shape and pattern formation. In my doctoral work, I addressed the origin and function of heterogeneity in cell cleavages in the onset of zebrafish morphogenesis. Zebrafish morphogenesis is facilitated by tissue fluidization, an abrupt loss in tissue viscosity, driven by cell-cell adhesion remodelling occurring during the cell cleavages. Here, I investigated the importance of variation in cell cycle lengths for tissue fluidization. I dissected (1.) the spatiotemporal dynamics of the cell cycle heterogeneity, and (2.) its origins to eventually (3.) understand its impact on the tissue material state. By using live imaging and quantitative data analysis, I characterised cell cycle dynamics along with tissue material properties using rigidity percolation theory. I detect a super-exponential growth of cell cycle length along with a rapid growth in its variability. As the cell cycle lengthens, its embryo-wide variability peaks, and the tissue undergoes a rigid-to-floppy phase transition at the highest value of variability. Cell cycle manipulations suggest that cell cycle dynamics control this phase transition through regulating the spatiotemporal distribution of cell divisions, that remodel cell-cell contacts. Using theory of stochastic differential equations and simulations of tissue dynamics (in collaboration), along with cell biology experiments, I found that the observed cell cycle dynamics can be explained by inheritance of information from the mother cell to the daughter cells, which is encoded in the cell size differences. Cell size differences may arise due to stochastic division asymmetries and are then propagated throughout each cell lineage. Experimental manipulations of cell size variability allowed me to interfere with only cell cycle variability but not the developmental rate. Such manipulations showed that for tissue fluidisation to robustly occur, an optimal cell size-dependent cell cycle variability is required. Thus, the generation of optimal amounts of biological noise and its propagation through the cell lineage are essential for a robust morphogenetic transition from cell autonomy to the first tissue-scale collective behaviour in this system. Overall, my work uncovers an interplay of coordinated stochastic and deterministic mechanisms of cell cycle dynamics essential for regulating collective tissue properties and morphogenetic robustness.

Translation of abstract (German)

Alle biologischen Systeme weisen eine gewisse zelluläre Heterogenität auf. Ob diese Heterogenität eine Störung ist, die kontrolliert werden muss, oder ob sie tatsächlich für biologische Prozesse erforderlich ist, ist umstritten/bislang ungeklärt. In meiner Doktorarbeit beschäftigte ich mich mit der Rolle der Heterogenität in der Zellzyklusdynamik der frühen Embryogenese. Dabei lag mein Fokus auf den Zellfurchungen, den reduktive Zellteilungen in der frühen Embryonalentwicklung, die sich in der Regel vor Beginn der Morphogenese desynchronisieren. Obwohl die Zellteilungsdynamik auf der Ebene der einzelnen Zelle reguliert wird, geht die in frühen Embryonen beobachtete interzelluläre Desynchronisation mit kollektivem Verhalten einher, einschließlich der Form- und Musterbildung. In meiner Doktorarbeit habe ich mich mit dem Ursprung und der Funktion der Heterogenität von Zellteilung zu Beginn der Morphogenese des Zebrafisches beschäftigt. Die Morphogenese von Zebrafischen wird durch einen abrupten Verlust der Gewebeviskosität – einer „Verflüssigung“ bzw. Fluidisierung des Gewebes – begünstigt, der durch die Umstrukturierung der Zell-Zell-Adhäsion während mitotischer Zellteilungen ausgelöst wird. Hier habe ich untersucht, wie wichtig die Variation der Zellzykluslängen für die Gewebefluidisierung ist. Ich untersuchte (1.) die räumliche und zeitliche Dynamik der Zellzyklus-Heterogenität und (2.) ihren Ursprung, um schließlich (3.) ihren Einfluss auf den Materialzustand des Gewebes zu verstehen. Durch den Einsatz von Lebendzellmikroskopie und quantitativer Datenanalyse habe ich die Zellzyklusdynamik zusammen mit den Materialeigenschaften des Gewebes mit Hilfe der Theorie der rigiden Perkolation charakterisiert. Ich habe ein superexponentielles Wachstum der Zellzykluslänge und ein sehr starkes Wachstum ihrer Variabilität beobachtet. Mit der Verlängerung des Zellzykluses erreicht die embryoweite Variabilität der Zellzyklusdauer ihren Höhepunkt, wobei die Gewebefluidisierung mit dem Maximum dieser Variabilität zusammenfällt. Zellzyklusmanipulationen lassen vermuten, dass die Zellzyklusdynamik diesen Phasenübergang steuert, indem sie die räumliche und zeitliche Verteilung der Zellteilungen reguliert, die die Zellkontakte umgestalten. Mithilfe stochastischer Differentialgleichungen und Simulationen der Gewebedynamik (in Kollaboration) sowie zellbiologischer Experimente habe ich herausgefunden, dass sich die beobachtete Zellzyklusdynamik durch die Vererbung von Informationen von der Mutterzelle an die Tochterzellen erklären lässt, die in den Zellgrößenunterschieden kodiert sind. Unterschiede in der Zellgröße können durch stochastische Asymmetrien in der Zellteilung entstehen und werden dann in jeder Zelllinie weitergegeben. Experimentelle Manipulationen der Zellgrößenvariabilität ermöglichten es mir, die Zellzyklusvariabilität zu beeinflussen, ohne die Entwicklungsrate des Embryos zu beeinträchtigen. Diese Manipulationen haben gezeigt, dass eine optimale, von der Zellgröße abhängige Zellzyklusvariabilität erforderlich ist, um eine robuste Gewebefluidisierung zu erreichen. Die Erzeugung optimaler Mengen biologischer Heterogenität und ihre Vererbung durch die Zelllinie sind also entscheidend für einen robusten morphogenetischen Übergang von der Zellautonomie hin zum ersten kollektiven Verhalten auf Gewebeebene in diesem System. Insgesamt deckt meine Arbeit eine Koordination stochastischer und deterministischer Mechanismen auf.