The nucleus makes the rules Single cells continuously experience and react to mechanical challenges in three-dimensional tissues. Spatial constraints in dense tissues, physical activity, and injury all impose changes in cell shape. How cells can measure shape deformations to ensure correct tissue development and homeostasis remains largely unknown (see the Perspective by Shen and Niethammer). Working independently, Venturini et al. and Lomakin et al. now show that the nucleus can act as an intracellular ruler to measure cellular shape variations. The nuclear envelope provides a gauge of cell deformation and activates a mechanotransduction pathway that controls actomyosin contractility and migration plasticity. The cell nucleus thereby allows cells to adapt their behavior to the local tissue microenvironment. Science , this issue p. eaba2644 , p. eaba2894 ; see also p. 295

Summary Aging is characterized by gradual immune dysfunction and increased risk for many diseases, including respiratory infections. Genomic instability is thought to play a central role in the aging process but the mechanisms that damage nuclear DNA in aging are insufficiently defined. Cells that migrate or reside within confined environments experience forces applied to their nucleus, leading to transient nuclear envelope (NE) ruptures. NE ruptures are associated with DNA damage, and Lamin A/C is required to limit these events. Here, we show that Lamin A/C protects lung alveolar macrophages from NE rupture and hallmarks of aging. Lamin A/C ablation in immune cells results in a selective depletion of lung alveolar macrophages (AM) and a heightened susceptibility to influenza infection. Lamin A/C-deficient AM that persist display constitutive nuclear envelope rupture marks, DNA damage and p53-dependent senescence. In wild-type mice, we found that AM migrate within constricted spaces in vivo , at heights that induce NE rupture and DNA damage. AM from aged wild-type mice and from Lamin A/C-deficient mice share an upregulated lysosomal signature with CD63 expression, and we find that CD63 is required to clear damaged DNA in macrophages. We propose that induction of genomic instability by NE disruption represents a mechanism of aging in alveolar macrophages.

Immune cells experience large cell shape changes during environmental patrolling because of the physical constraints that they encounter while migrating through tissues. These cells can adapt to such deformation events using dedicated shape-sensing pathways. However, how shape sensing affects immune cell function is mostly unknown. Here, we identify a shape-sensing mechanism that increases the expression of the chemokine receptor CCR7 and guides dendritic cell migration from peripheral tissues to lymph nodes at steady state. This mechanism relies on the lipid metabolism enzyme cPLA

Abstract While mutations leading to a fragile envelope of the cell nucleus are well known to cause diseases such as muscular dystrophies or accelerated aging, the pathophysiological consequences of the recently discovered mechanically induced nuclear envelope ruptures in cells harboring no mutation are less known. Here we show that repeated loss of nuclear envelope integrity in nuclei experiencing mechanical constraints promotes senescence in nontransformed cells, and induces an invasive phenotype including increased collagen degradation in human breast cancer cells, both in vitro and in a mouse xenograft model of breast cancer progression. We show that these phenotypic changes are due to the presence of chronic DNA damage and activation of the ATM kinase. In addition, we found that depletion of the cytoplasmic exonuclease TREX1 is sufficient to abolish the DNA damage in mechanically challenged nuclei and to suppress the phenotypes associated with the loss of nuclear envelope integrity. Our results also show that TREX1-dependent DNA damage induced by physical confinement of tumor cells inside the mammary duct drives the progression of in situ breast carcinoma to the invasive stage. We propose that DNA damage in mechanically challenged nuclei could affect the pathophysiology of crowded tissues by modulating proliferation and extracellular matrix degradation of normal and transformed cells.

Abstract Motile cells such as immune and cancer cells experience large deformation events that result from the physical constraints they encounter while migrating within tissues or circulating between organs. It has become increasingly clear that these cells can survive and adapt to these changes in cell shape using dedicated shape sensing pathways. However, how shape sensing impacts their function and fate remains largely unknown. Here we identify a shape sensing mechanism that couples cell motility to expression of CCR7, the chemokine receptor that guides immune cells to lymph nodes. We found that this mechanism is controlled by the lipid metabolism enzyme cPLA 2 , requires an intact nuclear envelop and exhibits an exquisitely sensitive activation threshold tuned by ARP2/3 and its inhibitor Arpin. We further show that shape sensing through the ARP2/3-cPLA 2 axis controls Ikkβ-NFκB-dependent transcriptional reprogramming of dendritic cells, which instructs them to migrate to lymph nodes in an immunoregulatory state compatible with their homeostatic tolerogenic function. These results highlight that the cell shape changes experienced by motile cells evolving within the complex environment of tissues can dictate their behavior and fate.

The microscopic environment inside a metazoan organism is highly crowded. Whether individual cells can tailor their behavior to the limited space remains unclear. Here, we found that cells measure the degree of spatial confinement using their largest and stiffest organelle, the nucleus. Cell confinement below a resting nucleus size deforms the nucleus, which expands and stretches its envelope. This activates signaling to the actomyosin cortex via nuclear envelope stretch-sensitive proteins, upregulating cell contractility. We established that the tailored contractile response constitutes a nuclear ruler-based signaling pathway involved in migratory cell behaviors. Cells rely on the nuclear ruler to modulate the motive force enabling their passage through restrictive pores in complex three-dimensional (3D) environments, a process relevant to cancer cell invasion, immune responses and embryonic development.