Abstract Many internal organs in the body harbor a fluid-filled lumen. The mechanisms of lumens initiation and fusion have been reported as dependent on organ-type during organogenesis. In contrast, the physics of lumen suggests that force balance between luminal pressure and cell mechanics could lead to conserved rules which may unify their self-organisation. However, this hypothesis lacks experimental evidence. Here we show that lumens share similar dynamics for three different systems (MDCK cysts, pancreatic spheres, and epiblast cysts) by using quantitative cell biology, microfabrication and theory. We report that initial cell number determines the maximum number of lumens but does not impact the steady state which is a final single lumen. In addition, lumens numbers exhibit two phases over time, a nucleation phase followed by a fusion phase. In the nucleation phase, lumens form between two cells in pancreatic and MDCK cysts whereas they form at the rosette stage between ten cells in epiblasts. In the second phase, lumens fuse by an increase in lumen volume for pancreatic spheres and MDCK cysts, whereas cell convergent directional motion leads to lumens fusion in epiblasts. We support these results by reproducing numerically lumens dynamics using a phase field model with simple rules for cell proliferation, cell adhesion and lumen growth. We finally use MDCK cysts to manipulate cell adhesion and lumen volume and we successfully reproduce the fusion dynamics of pancreatic spheres and epiblasts. Our results reveal self-organisation rules of lumens across systems with relevance for morphogenesis during development and for the design of synthetic organs.

Abstract Cell mechanical interactions play a fundamental role in the self-organisation of organisms. How these interactions drive coordinated cell movement in three-dimensions remains unclear. Here we report that cell doublets embedded in a 3D extracellular matrix undergo spontaneous rotations and we investigate the rotation mechanism using live cell imaging, quantitative measurements, mechanical perturbations, and theory. We find that rotation is driven by a polarized distribution of myosin within cell cortices. The mismatched orientation of this polarized distribution breaks the doublet mirror symmetry. In addition, cells adhere at their interface through adherens junctions and with the extracellular matrix through focal contacts near myosin clusters. Using a physical theory describing the doublet as two interacting active surfaces, we find that rotation is driven by myosin-generated gradients of active tension, whose profiles are dictated by interacting cell polarity axes. We show that interface three-dimensional shapes can be understood from the Curie principle: shapes symmetries are related to broken symmetries of myosin distribution in cortices. To test for the rotation mechanism, we suppress myosin clusters using laser ablation and we generate new myosin clusters by optogenetics. Our work clarifies how polarity-oriented active mechanical forces drive collective cell motion in three dimensions.

Formation of fluid-filled lumina by epithelial tissues is essential for organ development. How cells control the hydraulic and cortical forces to control lumen morphology is not well understood. Here, we quantified the mechanical role of tight junctions in lumen formation using MDCK-II cysts. We found that the paracellular ion barrier formed by claudin receptors is not required for the hydraulic inflation of a lumen. However, the depletion of the zonula occludens scaffold resulted in lumen collapse and folding of apical membranes. Combining quantitative measurements of hydrostatic lumen pressure and junctional tension with modeling enabled us to explain lumen morphologies from the pressure-tension force balance. Tight junctions promote lumen inflation by decreasing cortical tension via the inhibition of myosin. In addition, our results suggest that excess apical area contributes to lumen opening. Overall, we provide a mechanical understanding of how epithelial cells use tight junctions to modulate tissue and lumen shape.

Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid.

Summary Formation of fluid filled lumen by epithelial tissues is a fundamental process for organ development. How epithelial cells regulate the hydraulic and cortical forces to control lumen morphology is not completely understood. Here, we quantified the mechanical role of tight junctions in lumen formation using genetically modified MDCKII cysts. We found that the paracellular ion barrier formed by claudin receptors is not required for hydraulic inflation of lumen. However, depletion of the zonula occludens scaffold resulted in lumen collapse and folding of apical membranes. Combining quantitative measurements and perturbations of hydrostatic lumen pressure and junctional tension with modelling, we were able to predict lumen morphologies from the pressure-tension force balance. We found that in MDCK tissue the tight junction promotes formation of spherical lumen by decreasing cortical tension via inhibition of myosin. In addition, we found that the apical surface area of cells is largely uncoupled from lumen volume changes, suggesting that excess apical area contributes to lumen opening in the low-pressure regime. Overall, our findings provide a mechanical understanding of how epithelial cells use tight junctions to modulate tissue and lumen shape.

Cell cortex is a thin sheet of actin cytoskeleton spanning cell boundaries with rich out-ofequilibrium dynamics. A theoretical description of the cortex as an active fluid enables to capture cell shapes dynamics in 3D tissues. However models integrated with calibration of parameters and quantitative experiments are lacking so far. Here we report that cells in organoids and in cysts have conserved apico-basal-lateral asymmetric compositions in actin and in myosin, and we quantify their densities and mechanical properties. This allows to calibrate a new model coupling active fluids with a phase field which reproduces the main features of cell shapes. To test our approach, we successfully predict changes in cell shapes by modulating actin polymerisation in experiments and in simulations. Our study shows how active fluid theory integrated with experiments can determine cell shapes in 3D tissues.

Abstract Assembly of macromolecular complexes at correct cellular sites is crucial for cell function. Nuclear pore complexes (NPCs) are large cylindrical assemblies with eightfold rotational symmetry, built through hierarchical binding of nucleoporins (Nups) forming distinct subcomplexes. Here, we uncover a direct role of ubiquitin-associated protein 2-like (UBAP2L) in the biogenesis of properly organized and functional NPCs at the intact nuclear envelope (NE) in human cells. UBAP2L localizes to the nuclear pores and drives the formation of the Y-complex, an essential scaffold component of the NPC, and its localization to the NE. UBAP2L facilitates the interaction of the Y-complex with POM121 and Nup153, the critical upstream factors in a well-defined sequential order of Nups assembly onto NE during interphase. Timely localization of the cytoplasmic Nup transport factor fragile X-related protein 1 (FXR1) to the NE and its interaction with the Y-complex are likewise dependent on UBAP2L. Thus, this NPC biogenesis mechanism integrates the cytoplasmic and the nuclear NPC assembly signals and ensures efficient nuclear transport, adaptation to nutrient stress and cellular proliferative capacity, highlighting the importance of NPC homeostasis at the intact nuclear envelope. Teaser Liao et al. show how UBAP2L drives the assembly of the scaffold elements into symmetrical and functional NPCs at the nuclear envelope in human cells.

Epithelial tissues of the developing embryos experience symmetry breaking through elongation and shape transformations by different mechanisms, such as neighbour exchange, cell elongation, and oriented cell division. Although the molecular actors involved in these phenomena are known, the mesoscopic processes leading to the different mechanisms remain elusive. This knowledge gap exists, in part, because autonomous tissue self-organization in vivo is influenced by interactions with external inputs, such as morphogen gradients or neighbouring tissues, and it is difficult to distinguish intrinsic from directed tissue behaviour. Here we use in vitro experiments to observe the spontaneous elongation behaviour of spreading circular epithelial colonies prepared with microfabrication. By using cell biology methods and by quantifying colony deformation kinematics at multiple scales, we report that the global elongation direction of the colony correlates with the direction of local protrusions at the colony boundary and also with the anisotropy in the average cell elongation within colony. Although we see no mean bias in the direction of elongation for a freely spreading colony, the axis of this global symmetry breaking can be imposed by an external time-periodic stretch. Moreover, tissue elongation happens primarily due to cell elongations and orientated neighbour exchange, respectively, in the absence and in the presence of external force. These different behaviours are confirmed by theory using a vertex model for collective cell behaviour. This provides a framework to understand autonomous tissue elongation and its cellular origins.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid. Author summary In nature, a wide variety of organ morphologies are observed. Owing to the complexity of the process underlying the acquisition of organs’ morphology, it is challenging to investigate the mechanisms that lead to such variations. A promising approach to study these variations is the use of “computational organoid” study, which is the computational-based study of self-organizing shapes in multicellular assemblies and fluid-filled cavities called lumens that develop from a few proliferating cells. This study explores general mechanisms that dictate how various mechanical factors affect the growing self-organized multicellular assembly. We relied on computer simulations of the mathematical model called multicellular phase-field model with lumens and explored the mechanical factor effects, such as the lumen pressure while considering the time and volume conditions required for cell division. These simulations generated and categorized a wide range of organoid phenotypes based on the varying lumen pressure and cell division conditions. These phenotypes were characterized into seven distinct classes, based on the morphological index sets, including a cellular monolayer/multilayer surrounding single or multiple lumens and branch formation. These phenotypes were obtained without the assumption of differentiation. Our study elucidates the mechanisms underlying the organoid and organ formation with different shapes, thereby highlighting the significance of mechanical forces in shaping these complex biological structures.