Cell size heterogeneity controls crystallization of the developing fruit fly wing

Résumé technique : L'hétérogénéité de la taille cellulaire contrôle la cristallisation de l'aile en développement de la drosophile

Énoncé du problème
Un défi fondamental en biologie du développement consiste à comprendre comment des motifs et des formes tissulaires complexes émergent du comportement collectif d'un grand nombre de cellules. Bien que des études antérieures aient établi que les ommatidies d'insectes, les somites de vertébrés et les poils d'aile de mouche présentent une organisation régulière, les mécanismes régissant la transition d'empilements cellulaires désordonnés à ordonnés dans des tissus mous et déformables restent obscurs. Plus précisément, dans l'aile en développement de Drosophila melanogaster, l'empilement cellulaire passe d'un état désordonné à une disposition cristalline hexagonale au cours du développement nymphal. Des hypothèses antérieures suggéraient que des écoulements de cisaillement tissulaire à grande échelle étaient le principal moteur de cet ordre. Cependant, le rôle de l'hétérogénéité de la taille cellulaire (polydispersité) dans le contrôle de cette transition de phase n'avait ni été quantifié systématiquement, ni intégré dans des modèles théoriques de la mécanique épithéliale.

Méthodologie
Les auteurs ont employé une approche combinant imagerie quantitative en temps réel, perturbations mécaniques et génétiques, et modélisation computationnelle par sommets.

1. Quantification expérimentale : En utilisant une microscopie en temps réel à grande échelle de l'E-cadhérine marquée par fluorescence dans la lame de l'aile de la drosophile, les auteurs ont suivi 5 000 à 10 000 cellules sur 16 heures de développement nymphal. Ils ont développé une métrique robuste pour l'ordre hexagonal local (ordre hexatique cellulaire, $\psi_6$) non biaisée par l'allongement tissulaire. Cela impliquait d'appliquer une transformation de cisaillement pur aux positions des centres cellulaires au sein de patches locaux pour éliminer l'allongement cellulaire moyen avant de calculer le paramètre d'ordre hexatique. Ils ont également mesuré l'ordre à l'échelle du tissu via l'ordre hexatique tissulaire ($\langle \psi_6 \rangle$) et quantifié la polydispersité de la taille cellulaire ($\Delta$) comme le coefficient de variation des aires cellulaires.
2. Expériences de perturbation : Pour tester la nécessité des écoulements de cisaillement et des divisions cellulaires, les auteurs ont analysé :
   • Ablation distale (DA) : Ablation laser du bord distal de l'aile pour réduire l'écoulement de cisaillement tissulaire.
   • Ablation proximale (PA) : Ablation laser de la région proximale de l'aile pour perturber les signaux mécaniques.
   • Mutants génétiques : Mutants cdc2 (inhibant la division cellulaire), mutants dumpy (réduisant l'écoulement de cisaillement) et mutants de la polarité cellulaire planaire (PCP).
3. Modélisation par sommets : Les auteurs ont implémenté un modèle par sommets de tissus épithéliaux intégrant la polydispersité de la taille cellulaire et des fluctuations actives de tension de liaison (modélisées comme un processus d'Ornstein-Uhlenbeck). Ils ont simulé à la fois une relaxation quasistatique (pour cartographier les diagrammes de phase) et une dynamique suramortie (pour étudier la cinétique de l'ordre). Le modèle permettait le contrôle de la polydispersité ($\Delta$) et l'imposition d'une déformation de cisaillement.

Contributions et résultats clés

• Découplage de l'ordre local et global : L'étude révèle une distinction entre la formation de cristallites locaux et l'alignement à l'échelle du tissu. Dans les ailes de type sauvage, l'ordre hexatique local ($\langle |\psi_6| \rangle$) et l'ordre hexatique tissulaire ($|\langle \psi_6 \rangle|$) augmentent tous deux au fil du temps. Cependant, dans les expériences d'ablation distale où l'écoulement de cisaillement est largement inhibé, l'ordre hexatique local augmente toujours significativement (des cristallites se forment), mais l'ordre à l'échelle du tissu reste faible. Cela indique que le cisaillement n'est pas requis pour la cristallisation mais est essentiel pour l'alignement des cristallites.
• La polydispersité de la taille cellulaire comme paramètre de contrôle : Les auteurs démontrent que la polydispersité de la taille cellulaire diminue au cours du développement normal de l'aile. Crucialement, ils identifient un seuil critique pour la polydispersité ($\Delta \approx 0,2$). Lorsque $\Delta$ tombe en dessous de ce seuil, un ordre hexagonal local émerge ; lorsqu'il reste élevé, le tissu reste désordonné.
• Transition de phase dans les modèles par sommets : Les simulations confirment que la polydispersité de la taille cellulaire entraîne une transition de fusion. En dessous d'un $\Delta$ critique, le système s'installe dans un état cristallin ; au-dessus, le système est désordonné (liquide). La transition présente des caractéristiques de la théorie KTHNY de la fusion bidimensionnelle, avec une dissociation séquentielle des défauts de dislocation et de disclinaison.
• Cinétique et cisaillement : Les simulations dynamiques montrent que, bien que la réduction de la polydispersité pousse le système vers la phase cristalline, la cinétique de l'ordre est lente. Les écoulements de cisaillement tissulaire accélèrent considérablement l'alignement des cristallites localement ordonnés, expliquant l'émergence rapide de l'ordre à l'échelle du tissu dans les ailes de type sauvage par rapport aux conditions d'inhibition du cisaillement.
• Le rôle de la division cellulaire : L'inhibition de la division cellulaire (via des mutants cdc2) n'empêche pas la cristallisation, bien qu'elle modifie le moment de la réduction de la polydispersité. À l'inverse, l'ablation proximale empêche la réduction de la polydispersité, et par conséquent, la cristallisation échoue. Cela suggère que la réduction de la polydispersité, plutôt que la division elle-même, est le principal moteur de l'ordre.

Signification et affirmations
L'article prétend identifier l'hétérogénéité de la taille cellulaire (quantifiée par la polydispersité) comme le paramètre de contrôle fondamental régissant la transition entre des empilements cellulaires désordonnés et ordonnés dans l'aile en développement de la drosophile.

Les auteurs soutiennent que, si les écoulements de cisaillement tissulaire ne sont pas la cause de la cristallisation (car des cristallites se forment même en leur absence), ils jouent un rôle secondaire critique en facilitant l'alignement de ces cristallites pour atteindre un ordre à l'échelle du tissu. La réduction de la polydispersité de la taille cellulaire au fil du temps agit comme un « trempe » qui pousse le tissu à travers une transition de phase, d'un état désordonné de type liquide vers un état cristallin de type solide.

Ce travail remet en question la vision prédominante selon laquelle le cisaillement tissulaire est le mécanisme principal de l'ordre dans l'aile de la mouche, proposant à la place que l'homogénéisation des tailles cellulaires est la condition préalable à la cristallisation. Les résultats suggèrent que les principes physiques de la cristallisation des particules, en particulier le rôle de la polydispersité, sont directement applicables à la compréhension de la morphogenèse des tissus biologiques. L'étude conclut que la régularité positionnelle des poils d'aile adultes résulte probablement de ce processus de cristallisation entraîné par la réduction de l'hétérogénéité de la taille cellulaire au cours de la phase nymphale.