Growing evidence suggests that cytoplasmic actin filaments are essential factors in the modulation of nuclear shape and function. However, the mechanistic understanding of the internal orchestration between cell and nuclear shape is still lacking. Here we show that orientation and deformation of the nucleus are regulated by lateral compressive forces driven by tension in central actomyosin fibres. By using a combination of micro-manipulation tools, our study reveals that tension in central stress fibres is gradually generated by anisotropic force contraction dipoles, which expand as the cell elongates and spreads. Our findings indicate that large-scale cell shape changes induce a drastic condensation of chromatin and dramatically affect cell proliferation. On the basis of these findings, we propose a simple mechanical model that quantitatively accounts for our experimental data and provides a conceptual framework for the mechanistic coordination between cell and nuclear shape. Actin filaments are involved in the modulation of nuclear shape and function, but mechanistic understanding of these processes is lacking. Versaevelet al. show that orientation and deformation of the nucleus are regulated by lateral compressive forces driven by tension in central actomyosin fibres.

Abstract While many tissues fold in vivo in a highly reproducible and robust way, epithelial folds remain difficult to reproduce in vitro , so that the effects and underlying mechanisms of local curvature on the epithelial tissue remains unclear. Here, we photoreticulated polyacrylamide hydrogels though an optical photomask to create corrugated hydrogels with isotropic wavy patterns, allowed us to show that concave and convex curvatures affect cellular and nuclear shape. By culturing MDCK epithelial cells at confluency on corrugated hydrogels, we showed that the substrate curvature leads to thicker epithelial zones in the valleys and thinner ones on the crest, as well as corresponding density, which can be generically explained by a simple 2D vertex model, leading us to hypothesize that curvature sensing could arise from resulting density/thickness changes. Additionally, positive and negative local curvatures lead to significant modulations of the nuclear morphology and positioning, which can also be well-explained by an extension of vertex models taking into account membrane-nucleus interactions, where thickness/density modulation generically translate into the corresponding changes in nuclear aspect ratio and position, as seen in the data. Consequently, we find that the spatial distribution of Yes associated proteins (YAP), the main transcriptional effector of the Hippo signaling pathway, is modulated in folded epithelial tissues according to the resulting thickness modulation, an effect that disappears at high cell density. Finally, we showed that these deformations are also associated with changes of A-type and B-type lamin expression, significant chromatin condensation and to lower cell proliferation rate. These findings show that active cell mechanics and nuclear mechanoadaptation are key players of the mechanistic regulation of epithelial monolayers to substrate curvature, with potential application for a number of in vivo situations.

The directed migration of epithelial cell collectives through coordinated movements plays a crucial role in various physiological and pathological processes and is increasingly understood at the level of large confluent monolayers. However, numerous processes rely on the migration of small groups of polarized epithelial clusters in complex environments, and their responses to external geometries remain poorly understood. To address this, we cultivated primary epithelial keratocyte tissues on adhesive microstripes, creating autonomous epithelial clusters with well-defined geometries. We showed that their migration efficiency is strongly influenced by the contact geometry, and the orientation of cell-cell contacts with respect to the direction of migration. To elucidate the underlying mechanisms, we systematically explored possible cell-cell interactions using a minimal active matter model. Our investigations revealed that a combination of velocity and polarity alignment with contact regulation of locomotion captures the experimental data, which we then validated via force and intracellular stress measurements. Furthermore, we predict that this combination of rules enables efficient navigation in complex geometries, which we confirm experimentally. Altogether, our findings provide a conceptual framework for extracting interaction rules governing the behavior of active systems interacting with physical boundaries, as well as designing principles for collective navigation in complex microenvironments.

Cell migration in narrow microenvironments is a hallmark of numerous physiological processes, involving successive cycles of confinement and release that drive significant morphological changes. However, it remains unclear whether migrating cells can retain a memory of their past morphological states, which could potentially enhance their navigation through confined spaces. By combining cell migration assays on standardized microsystems with biophysical modeling and biochemical perturbations, we demonstrate that local geometry governs these morphological switches, thereby facilitating cell passage through long and narrow gaps. We uncovered a long-term memory of past confinement events in migrating cells, with morphological states correlated across transitions through actin cortex remodeling. These findings suggest that mechanical memory in migrating cells plays an active role in their migratory potential in confined environments.

Cells often migrate on curved surfaces inside the body, such as curved tissues, blood vessels or highly curved protrusions of other cells. Recent in-vitro experiments provide clear evidence that motile cells are affected by the curvature of the substrate on which they migrate, preferring certain curvatures to others, termed “curvotaxis”. The origin and underlying mechanism that gives rise to this curvature sensitivity are not well understood. Here, we employ a “minimal cell” model which is composed of a vesicle that contains curved membrane protein complexes, that exert protrusive forces on the membrane (representing the pressure due to actin polymerization). This minimal-cell model gives rise to spontaneous emergence of a motile phenotype, driven by a lamellipodia-like leading edge. By systematically screening the behaviour of this model on different types of curved substrates (sinusoidal, cylinder and tube), we show that minimal ingredients and energy terms capture the experimental data. The model recovers the observed migration on the sinusoidal substrate, where cells move along the grooves (minima), while avoiding motion along the ridges. In addition, the model predicts the tendency of cells to migrate circumferentially on convex substrates and axially on concave ones. Both of these predictions are verified experimentally, on several cell types. Altogether, our results identify the minimization of membrane-substrate adhesion energy and binding energy between the membrane protein complexes as key players of curvotaxis in cell migration.

The organization of epithelial tissues with precise spatial definition is essential to various biological processes and to generate curved epithelial structures. However, the regulation of the architecture and dynamics of collective epithelial assemblies by the matrix curvature remains understudied. Here, we photopolymerize microwells of various diameters in hydrogels to form curved epithelial structures such as breast epithelial lobules, and study how in-plane and out-of-plane curvatures modulate the mechanoresponse of epithelial tissues. In-plane curvature governed by the microwell radius drives the centripetal orientation of cells and nuclei close to the edge of the microwell, resulting from contractile forces exerted by a supracellular actomyosin purse-string. Convex out-of-plane curvature imposed at the microwell entrance leads to a vertical orientation of the nuclei towards the microwell axis. We demonstrated that increasing the out-of-plane curvature leads to more flatten and elongated nuclear morphologies with high levels of compacted chromatin. Epithelial cells exhibit higher directionality and speed around the microwell edge, demonstrating that the out-of-plane curvature significantly enhances the cellular trafficking. These findings demonstrate the importance of in-plane and out-of-plane curvatures in epithelial organization and how both can be leveraged to facilitate the engineering of curved structures to study curvature-dependent mechanotransduction pathways.

Abstract Traumatic brain injury (TBI) remains one of the leading causes of mortality and morbidity worldwide. Despite its high prevalence and extensive efforts to develop neuroprotective therapies, effective treatments for TBI are still limited. Among important neuronal damages, TBI induces structural and functional alterations of astrocytes, the most abundant cell type in the brain. Injured astrocytes respond in diverse mechanisms that result in reactive astrogliosis and are involved in the physiopathological mechanisms of TBI in an extensive and sophisticated manner. The establishment of effective neuroprotective treatments for TBI requires to better understand the complex biochemical interactions between activated astrocytes and neurons that contribute to the secondary injury. To address this challenge, we studied in vitro the role of mechanically injured astrocytes on the growth and synaptic connections of cortical neuronal networks of controlled architectures grown on well-defined protein micropatterns. Astrocytes were cultivated on elastic membranes and mechanically activated by stretching cycles. The culture media of healthy or activated astrocytes was then introduced on neuronal networks. We analyzed the neuronal viability, the neurite growth and the synaptic density of neuronal networks to understand the role of the inflammatory molecules secreted by mechanically activated astrocytes. Furthermore, we cultivated neuronal networks during 13 days with different doses of TNF-α in order to decipher its individual contribution among the other cytokines. Here we show that the ratio of tubulin to synapsin area was significantly higher in neuronal networks treated with either 4 or 2 doses of TNF-α, suggesting that TNF-α can promote the tubulin polymerization process. Assuming that TNF-α can bind to either TNFR1 or TNFR2 receptors, which lead respectively to the cell survival or the cell apoptosis, we studied the modulation of the both TNF-α receptors in response to the medium of mechanically activated astrocytes and different doses of TNF-α. Our findings indicate that the amount of both receptors increases with the maturation of the network. In addition, we observed a significant modulation of the amount of TNFR1 and TNFR2 in response to the media of injured astrocytes that leads to a large imbalance between both receptors, suggesting an important role for TNFα-signaling in the physiopathological mechanisms of TBI.

Microglial cells must act as the first line of defense of the central nervous system, but they can be exposed to various mechanical signals that may trigger their activation. While the impact of chemical signaling on brain cells has been studied in detail, our current understanding of the mechanical signaling in microglia is still limited. To address this challenge, we exposed microglial cells to a single mechanical stretch and compared their behavior to chemical activation by lipopolysaccharide treatment. Here we show that stretching microglial cells results in their activation, demonstrating a strong mechanosensitivity. Stretched microglial cells exhibited higher Iba1 protein levels, a denser actin cytoskeleton and migrated more persistently. In contrary to LPS-treated cells, stretched microglia maintain a robust secretory profile of chemokines and cytokines, except for TNF-α, highlighting the relevance of this model. Interestingly, a single stretch injury results in more compacted chromatin and DNA damage, suggesting possible long-term genomic instabilities in stretched microglia. Using neuronal networks in compartmentalized microfluidic chambers, we found that stretched microglial cells exhibit enhanced phagocytic and synaptic stripping activities. Altogether, our results propose that the immune potential of microglial cells can be unlocked by stretching events to maintain brain tissue homeostasis after mechanical injury.

Abstract Chirality influences essential biological processes such as molecular recognition and self- organization, impacting cell proliferation and differentiation mediated by interactions with the extracellular matrix (ECM). Despite extensive research on cell migration, the role of chirality on matrix-cell interactions has been largely overlooked. To explore this aspect, we engineered culture surfaces coated with natural collagen I or collagen-mimetic peptides (CMPs) with opposite chirality, i.e. with either L- or D-amino acids in their sequences. Here we show that D-surfaces impede epithelial keratocyte spreading, making cells more rounded, less adhesive, and slower. Further investigation through integrin inhibition assays and molecular dynamics simulations revealed that a chiral mismatch destabilizes the triple helix of heterochiral CMPs at the L/D junction. This study underscores the profound impact of ECM chirality on cellular behavior, providing new insights into the relationship between matrix (supra)molecular chirality, integrin-mediated molecular recognition, and cell migration dynamics.