Abstract Infection of human cells by pathogens, including SARS-CoV-2, typically proceeds by cell surface binding to a crucial receptor. In the case of SARS-CoV-2, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) has been identified as a necessary receptor, but not all ACE2-expressing cells are equally infected, suggesting that other extracellular factors are involved in host cell invasion by SARS-CoV-2. Vimentin is an intermediate filament protein that is increasingly recognized as being present on the extracellular surface of a subset of cell types, where it can bind to and facilitate pathogens’ cellular uptake. Here, we present evidence that extracellular vimentin might act as a critical component of the SARS-CoV-2 spike protein-ACE2 complex in mediating SARS-CoV-2 cell entry. We demonstrate direct binding between vimentin and SARS-CoV-2 pseudovirus coated with the SARS-CoV-2 spike protein and show that antibodies against vimentin block in vitro SARS-CoV-2 pseudovirus infection of ACE2-expressing cells. Our results suggest new therapeutic strategies for preventing and slowing SARS-CoV-2 infection, focusing on targeting cell host surface vimentin.

Abstract Chromatin is an essential component of nuclear mechanical response and shape that maintains nuclear compartmentalization and function. The biophysical properties of chromatin alter nuclear shape and stability, but little is known about whether or how major genomic functions can impact the integrity of the nucleus. We hypothesized that transcription might affect cell nuclear shape and rupture through its effects on chromatin structure and dynamics. To test this idea, we inhibited transcription with the RNA polymerase II inhibitor alpha-amanitin in wild type cells and perturbed cells that present increased nuclear blebbing. Transcription inhibition suppresses nuclear blebbing for several cell types, nuclear perturbations, and transcription inhibitors. Furthermore, transcription is necessary for robust nuclear bleb formation, bleb stabilization, and bleb-based nuclear ruptures. These morphological effects appear to occur through a novel biophysical pathway, since transcription does not alter either chromatin histone modification state or nuclear rigidity, which typically control nuclear blebbing. We find that active/phosphorylated RNA pol II Ser5, marking transcription initiation, is enriched in nuclear blebs relative to DNA. Thus, transcription initiation is a hallmark of nuclear blebs. Polymer simulations suggest that motor activity within chromatin, such as that of RNA pol II, can generate active forces that deform the nuclear periphery, and that nuclear deformations depend on motor dynamics. Our data provide evidence that the genomic function of transcription impacts nuclear shape stability, and suggests a novel mechanism, separate and distinct from chromatin rigidity, for regulating large-scale nuclear shape and function.

Abstract The mechanical properties of cells are largely determined by the cytoskeleton, which is a complex network of interconnected biopolymers consisting of actin filaments, microtubules, and intermediate filaments. While disruption of the actin filament and microtubule networks is known to decrease and increase cell-generated forces, respectively, the effect of intermediate filaments on cellular forces is not well understood. Using a combination of theoretical modeling and experiments, we show that disruption of vimentin intermediate filaments can either increase or decrease cell-generated forces, depending on microenvironment stiffness, reconciling seemingly opposite results in the literature. On the one hand, vimentin is involved in the transmission of actomyosin-based tensile forces to the matrix and therefore enhances traction forces. On the other hand, vimentin reinforces microtubules and their stability under compression, thus promoting the role of microtubules in suppressing cellular traction forces. We show that the competition between these two opposing effects of vimentin is regulated by the microenvironment stiffness. For low matrix stiffness, the force-transmitting role of vimentin dominates over their microtubule-reinforcing role and therefore vimentin increases traction forces. At high matrix stiffness, vimentin decreases traction forces as the microtubule-reinforcing role of vimentin becomes more important with increasing matrix stiffness. Our theory reconciles seemingly disparate experimental observations on the role of vimentin in active cellular forces and provides a unified description of stiffness-dependent chemo-mechanical regulation of cell contractility by vimentin. Significance Vimentin is a marker of the epithelial to mesenchymal transition which takes place during important biological processes including embryogenesis, metastasis, tumorigenesis, fibrosis, and wound healing. While the roles of the actin and microtubule networks in the transmission of cellular forces to the extracellular matrix are known, it is not clear how vimentin intermediate filaments impact cellular forces. Here, we show that vimentin impacts cellular forces in a matrix stiffness-dependent manner. Disruption of vimentin in cells on soft matrices reduces cellular forces, while it increases cellular forces in cells on stiff matrices. Given that cellular forces are central to both physiological and pathological processes, our study has broad implications for understanding the effect of vimentin on cellular forces in different microenvironments.

Mammalian cells frequently migrate through tight spaces during normal embryogenesis, wound healing, diapedesis or in pathological situations such as metastasis. The nucleus has recently emerged as an important factor in regulating 3D cell migration. At the onset of migratory behavior, cells often initiate the expression of vimentin, an intermediate filament protein which forms networks extending from a juxtanuclear cage to the cell periphery. However, the role of vimentin intermediate filaments (VIFs) in regulating nuclear shape and mechanics remains unknown. Here, we used wild type and vimentin-null mouse embryonic fibroblasts to show that VIFs regulate nuclear shape, motility, and the ability of cells to resist large deformations. The results show that loss of VIFs alters nuclear shape, reduces perinuclear stiffness, and enhances motility in 3D. These changes increase nuclear rupture and activation of DNA damage repair mechanisms, which are rescued by exogenous re-expression of vimentin. Our findings show that VIFs provide mechanical support to protect the nucleus and genome during migration.

The cytoskeleton is a complex network of interconnected biopolymers consisting of actin filaments, microtubules, and intermediate filaments. These biopolymers work in concert to transmit cell-generated forces to the extracellular matrix required for cell motility, wound healing, and tissue maintenance. While we know cell-generated forces are driven by actomyosin contractility and balanced by microtubule network resistance, the effect of intermediate filaments on cellular forces is unclear. Using a combination of theoretical modeling and experiments, we show that vimentin intermediate filaments tune cell stress by assisting in both actomyosin-based force transmission and reinforcement of microtubule networks under compression. We show that the competition between these two opposing effects of vimentin is regulated by the microenvironment stiffness. These results reconcile seemingly contradictory results in the literature and provide a unified description of vimentin's effects on the transmission of cell contractile forces to the extracellular matrix.

ABSTRACT Vimentin intermediate filaments form part of the cytoskeleton of mesenchymal cells, but under pathological conditions often associated with inflammation, vimentin filaments depolymerize as the result of phosphorylation or citrullination, and vimentin oligomers are secreted or released into the extracellular environment. In the extracellular space, vimentin can bind surfaces of other cells and the extracellular matrix, and the interaction between extracellular vimentin and other cell types can trigger changes in cellular functions, such as activation of fibroblasts to a fibrotic phenotype. The mechanism by which extracellular vimentin binds external cell membranes and whether vimentin alone can act as an adhesive anchor for cells is largely uncharacterized. Here, we show that various cell types (normal and vimentin null fibroblasts, mesenchymal stem cells, A549 lung carcinoma cells) attach to and spread on polyacrylamide hydrogel substrates covalently linked to vimentin. Using traction force microscopy and spheroid expansion assays, we characterize how different cell types respond to extracellular vimentin. Cell attachment to and spreading on vimentin-coated surfaces is inhibited by hyaluronic acid (HA) degrading enzymes, HA synthase inhibitors, soluble heparin, or N-acetyl glucosamine, treatments that have little or no effect on the same cell types binding to collagen-coated hydrogels. These studies highlight the effectiveness of substrate-bound vimentin as a ligand for cells and suggest that carbohydrate structures, including the glycocalyx and glycosylated cell surface proteins that contain N-acetyl glucosamine, form a novel class of adhesion receptors for extracellular vimentin.

SUMMARY The last stage of cell division involves two daughter cells remaining interconnected by a cytokinetic bridge that is cleaved in a process called abscission. During pre-abscission, we identified that the centrosome moves in a Rab11-dependent manner towards the cytokinetic bridge in human cells grown in culture and in an in vivo vertebrate model, Danio rerio (zebrafish). Rab11-endosomes are dynamically organized in a Rab11-GTP dependent manner at the centrosome during pre-abscission and this organization is required for the centrosome protein, pericentrin, to be enriched at the centrosome. Using zebrafish embryos, we found that reduction in pericentrin expression or optogenetically disrupting Rab11-endosome function inhibited centrosome movement towards the cytokinetic bridge and abscission resulting in daughter cells prone to being binucleated and/or having supernumerary centrosomes. These studies suggest that Rab11-endosomes contribute to centrosome function during pre-abscission by regulating pericentrin organization resulting in appropriate centrosome movement towards the cytokinetic bridge and subsequent abscission.

The cell nucleus houses the chromosomes, which are linked to a soft shell of lamin filaments. Experiments indicate that correlated chromosome dynamics and nuclear shape fluctuations arise from motor activity. To identify the physical mechanisms, we develop a model of an active, crosslinked Rouse chain bound to a polymeric shell. System-sized correlated motions occur but require both motor activity and crosslinks. Contractile motors, in particular, enhance chromosome dynamics by driving anomalous density fluctuations. Nuclear shape fluctuations depend on motor strength, crosslinking, and chromosome-lamina binding. Therefore, complex chromatin dynamics and nuclear shape emerge from a minimal, active chromosome-lamina system.

Abstract The ability of tissues to sustain and withstand mechanical stress is critical to tissue development and healthy tissue maintenance. The mechanical properties of tissues are typically considered to be dominated by the fibrous extracellular matrix (ECM) component of tissues. Fiber network mechanics can capture certain mechanical features of tissues, such as shear strain stiffening, but is insufficient in describing the compressive response of certain tissues and blood clots that are rich in extracellular matrix. To understand the mechanical response of tissues, we employ a contemporary mechanical model, a fibrous network of fibrin embedded with inert bead inclusions that preserve the volume-conserving constraints of cells in tissues. Combining bulk mechanical rheology and a custom imaging device, we show that the presence of inclusions alters the local dynamic remodeling of the networks undergoing uniaxial compressive strains and demonstrate non-affine correlated motion within a fiber-bead network, predicted to stretch fibers in the network and lead to the ability of the network to stiffen under compression, a key feature of real tissues. These findings have important implications for understanding how local structural properties of cells and ECM fibers impact the bulk mechanical response of real tissues.

Abstract Robustness to the impact of mutation can mitigate phenotypes that have the potential to inform gene function. This robustness is often encoded into the genome through gene duplication, among other mechanisms. Duplication is a source of structurally similar genes that can retain some functional overlap as they diverge, and as such contribute to functional redundancy in the face of mutation. While redundancies have been explored in groups of two or three paralogs by generating double and triple mutants, it is unclear to what extent larger homologous gene families contribute to robustness through functional redundancy. Here, we used phenotypic similarity as an indicator of functional redundancy to explore the extent to which homologous gene families contribute to redundancy in function. We hypothesize that, since functional redundancy is more likely to occur within gene families where genes are structurally similar, mutant strains within the same gene families would be more phenotypically similar. We generated 265 single-gene disruptions in four homologous gene families of Myxococcus xanthus , used time-lapse microscopy to generate time series of multicellular development, and developed an image analysis pipeline to compare phenotypic characteristics among different strains. We show that mutant strains cluster by gene family in the phenotypic feature space with principal component analysis, demonstrating that families of homologs can contain extensive functional redundancy networks.