AbstractFirst paragraph (this article has no abstract) For well over 100 years, cell biologists have been wondering what determines the size of cells. In modern times, we know all of the molecules that control the cell cycle and cell division, but we still do not understand how cell size is determined. To check whether modern cell biology has made any inroads on this age-old question, BMC Biology asked several heavyweights in the field to tell us how they think cell size is controlled, drawing on a range of different cell types. The essays in this collection address two related questions - why does cell size matter, and how do cells control it.

During early embryogenesis of the nematode, Caenorhabditis elegans, the chromatin motion markedly decreases. Despite its biological implications, the underlying mechanism for this transition was unclear. By combining theory and experiment, we analyze the mean-square displacement (MSD) of the chromatin loci, and demonstrate that MSD-vs-time relationships in various nuclei collapse into a single master curve by normalizing them with the mesh size and the corresponding time scale. This enables us to identify the onset of the entangled dynamics with the size of tube diameter of chromatin polymer in the C. elegans embryo. Our dynamical scaling analysis predicts the transition between unentangled and entangled dynamics of chromatin polymers, the quantitative formula for MSD as a function of nuclear size and timescale, and provides testable hypotheses on chromatin mobility in other cell types and species.

Abstract The adenomatous polyposis coli (APC) tumor suppressor has dual functions in Wnt/ß-catenin signaling and accurate chromosome segregation, and is frequently mutated in colorectal cancers. Although APC contributes to proper cell division, the underlying mechanisms remain poorly understood. Here we show that C. elegans APR-1/APC is an attenuator of the pulling forces acting on the mitotic spindle. During asymmetric cell division of the C. elegans zygote, a LIN-5/NuMA protein complex localizes dynein to the cell cortex to generate pulling forces on astral microtubules that position the mitotic spindle. We found that APR-1 localizes to the anterior cell cortex in a Par-aPKC polarity-dependent manner and suppresses anterior centrosome movements. Our combined cell biological and mathematical analyses support the conclusion that cortical APR-1 reduces force generation by stabilizing microtubule plus ends at the cell cortex. Furthermore, APR-1 functions in coordination with LIN-5 phosphorylation to attenuate spindle pulling forces. Our results document a physical basis for spindle-pulling force attenuation, which may be generally used in asymmetric cell division, and when disrupted potentially contributes to division defects in cancer. Significance Statement APC (adenomatous polyposis coli) is a Wnt signaling component as well as a microtubule-associated protein, and its mutations are frequently associated with colorectal cancers in humans. Although APC stabilizes microtubules (MTs), its mechanical role during cell division is largely unknown. Here we show that APC is an attenuator of forces acting on the mitotic spindle during asymmetric cell division of the C. elegans zygote. We performed live-imaging, laser-microsurgery, and numerical simulation to show how APC suppresses spindle pulling force generation by stabilizing microtubule plus-ends and reducing microtubule catastrophe frequency at the cell cortex. Our study is the first to document a mechanical role for the APC protein, and provides a physical basis for spindle-pulling force attenuation.

Abstract In multicellular systems, cells communicate with adjacent cells to decide their positions and fates. Cellular arrangement in space is thus important for development. Orientation of cell division, cell-cell interaction (i.e., attraction and repulsion), and geometrical constraints are the three major factors that define cell arrangement. Here we found that the amount and location of extra-embryonic space (ES), the empty space within the eggshell not occupied by embryonic cells, are critical to define cell arrangement in the 4-cell stage embryo of nematodes. This discovery was motivated by observations of a T-reversed-type arrangement, which was not explained by a model assuming simplified shapes of the eggshell, in our previous experiments. In this study, we incorporated the precise shape of the C. elegans eggshell in our newly developed multicellular morphology model based on the phase-field method. The new model succeeded in reproducing the T-reverse arrangement, demonstrating the importance of the precise shape of the eggshell. Further analyses revealed that the amount and location of ES is critical to develop various cell arrangements. Overall, our analyses characterized the roles of new geometrical contributors to cell arrangements, which should be considered for any multicellular system.

Summary Inside cells, molecular motors transport cargoes within the actively fluctuating environment known as the cytoplasm. How fluctuations in the cytoplasm affect motor-driven transport is not fully understood. In this study, we investigated the role of fluctuations for transport along microtubules using C. elegans early embryos, focusing on transport driven by cytoplasmic dynein. An artificial motor-cargo complex showed faster transport in vivo than in vitro , suggesting an in vivo acceleration mechanism. We also found that endogenous early endosome transport by dynein is significantly enhanced by the fluctuations in the cytoplasm, which is attributed to the activity of actomyosin networks. An in vitro force measurement of dynein suggests that the asymmetric force response would play a key role in the acceleration. This study provides insights into a regulatory mechanism of molecular motors within actively fluctuating cytoplasm, potentially utilizing random force originating from fluctuating dynamics in the cytoplasm to increase transport efficiency.

Chromatin moves dynamically inside the cell nucleus, and its motion is often correlated with gene functions such as DNA recombination and transcription. A recent study has shown that during early embryogenesis of the nematode, Caenorhabiditis elegans, the chromatin motion markedly decreases. However, the underlying mechanism for this transition has yet to be elucidated. We systematically investigated the impact of nuclear size to demonstrate that it is indeed a decisive factor in chromatin mobility. To this end, we established a method to quantify chromatin motion inside the nucleus, while excluding the contribution of the movement of the nucleus itself, which allowed us to extract the intrinsic mean-squared displacement (iMSD) of individual chromosomal loci in moving nuclei from the correlated motion of two loci. We show that a simple theoretical description, which takes into account the topological constraints of chromatin polymers, can quantitatively describe the relationship between the nucleus size and the chromatin motion in vivo. Our results emphasize a regulatory role of nuclear size in restricting chromatin motion, and a generic polymer physics model plays a guiding role in capturing this essential feature.

Microinjection is a useful method in cell biology, with which exogenous substances are introduced into a cell in a location- and time-specific manner. The Caenorhabditis elegans embryo is an important model system for cell and developmental biology. Applying microinjection to the C. elegans embryo had been difficult due to the rigid eggshell surrounding the embryo. In 2013, microinjection method using a carbon-coated quartz needle for the C. elegans embryo was reported. To prepare the needle, unfortunately, special equipment is required and thus a limited number of researchers can use this method. In this study, we established a method for the microinjection of drugs, dyes, and microbeads into the C. elegans embryo using an uncoated glass needle that can be produced in a general laboratory. This method enabled us to easily detect cell lineage up to adult stages by injecting a fluorescent dye into a blastomere. We also found a cell-non-autonomous control mechanism of cell adhesion; specifically, the injection of an actin inhibitor into one cell at the 2-cell stage enhanced adhesion between daughter cells of the other cell. Our microinjection method is expected to be used for broad studies and could facilitate various discoveries using C. elegans.

ABSTRACT The centrosome is a major microtubule-organizing center in animal cells. The intracellular positioning of the centrosomes is important for proper cellular function. One of the features of centrosome positioning is the spacing between centrosomes. The spacing activity is mediated by microtubules extending from the centrosomes; however, the underlying mechanisms are not fully understood. To characterize the spacing activity in the Caenorhabditis elegans embryo, a genetic setup was developed to produce enucleated embryos. The centrosome duplicated multiple times in the enucleated embryo, which enabled us to characterize the chromosome-independent spacing activity between sister and non-sister centrosome pairs. We knocked down genes in the enucleated embryo and found that the timely spacing was dependent on cytoplasmic dynein. Based on these results, we propose a stoichiometric model of cortical and cytoplasmic pulling forces for the spacing between centrosomes. We also found a dynein-independent but non-muscle myosin II-dependent movement of the centrosomes in a later cell cycle phase. The dynein-dependent spacing mechanisms for positioning the centrosomes revealed in this study is likely functioning in the cell with nucleus and chromosomes, including the processes of centrosome separation and spindle elongation.

Cell polarisation is required to define body axes during development. The position of spatial cues for polarisation is critical to direct the body axes. In Caenorhabditis elegans zygotes, the sperm-derived pronucleus/centrosome complex (SPCC) serves as the spatial cue to specify the anterior-posterior axis. Approximately 30 minutes after fertilisation, the contractility of the cell cortex is relaxed near the SPCC, which is the earliest sign of polarisation and called symmetry breaking (SB). It is unclear how the position of SPCC at SB is determined after fertilisation. Here, we show that SPCC drifts dynamically through the cell-wide flow of the cytoplasm, called meiotic cytoplasmic streaming. This flow occasionally brings SPCC to the opposite side of the sperm entry site before SB. Our results demonstrate that cytoplasmic flow determines stochastically the position of the spatial cue of the body axis, even in an organism like C. elegans for which development is stereotyped.