Stressed cells shut down translation, release mRNA molecules from polysomes, and form stress granules (SGs) via a network of interactions that involve G3BP. Here we focus on the mechanistic underpinnings of SG assembly. We show that, under non-stress conditions, G3BP adopts a compact auto-inhibited state stabilized by electrostatic intramolecular interactions between the intrinsically disordered acidic tracts and the positively charged arginine-rich region. Upon release from polysomes, unfolded mRNAs outcompete G3BP auto-inhibitory interactions, engendering a conformational transition that facilitates clustering of G3BP through protein-RNA interactions. Subsequent physical crosslinking of G3BP clusters drives RNA molecules into networked RNA/protein condensates. We show that G3BP condensates impede RNA entanglement and recruit additional client proteins that promote SG maturation or induce a liquid-to-solid transition that may underlie disease. We propose that condensation coupled to conformational rearrangements and heterotypic multivalent interactions may be a general principle underlying RNP granule assembly.

Abstract Quantitative measurements of physical parameters become increasingly important for understanding biological processes. Brillouin microscopy (BM) has recently emerged as one technique providing the 3D distribution of viscoelastic properties inside biological samples — so far relying on the implicit assumption that refractive index (RI) and density can be neglected. Here, we present a novel method (FOB microscopy) combining BM with optical diffraction tomography and epi-fluorescence imaging for explicitly measuring the Brillouin shift, RI and absolute density with specificity to fuorescently labeled structures. We show that neglecting the RI and density might lead to erroneous conclusions. Investigating the nucleoplasm of wild-type HeLa cells, we find that it has lower density but higher longitudinal modulus than the cytoplasm. Thus, the longitudinal modulus is not merely sensitive to the water content of the sample — a postulate vividly discussed in the field. We demonstrate the further utility of FOB on various biological systems including adipocytes and intracellular membraneless compartments. FOB microscopy can provide unexpected scientific discoveries and shed quantitative light on processes such as phase separation and transition inside living cells.

Abstract Diverse modes of cell migration shape organisms in health and disease and much research has focused on the role of intracellular and extracellular components in different cell migration phenomena. What is less explored, however, is how the arrangement of the underlying extracellular matrix that many cells move upon in vivo influences migration. Combining novel transgenic lines and image analysis pipelines, reveals that during zebrafish optic cup formation cells use cryptopodia-like protrusions to migrate collectively and actively over a topologically changing matrix. These changing topologies correspond to different cell-matrix interactions. Interference with matrix topology results in loss of cryptopodia and inefficient migration. Thus, matrix topology influences the efficiency of directed collective cell migration during eye morphogenesis, a concept likely conserved in other developmental and disease contexts. One-Sentence Summary Dynamic cell-matrix interactions, crucial for successful collective rim cell migration, rely on extracellular matrix topologies during optic cup development in vivo .

ABSTRACT Extracellular matrix (ECM) deposition after central nervous system (CNS) injury leads to inhibitory scarring in mammals, whereas it facilitates axon regeneration in the zebrafish. However, the molecular basis of these different fates is not understood. Here, we identify small leucine-rich proteoglycans (SLRPs) as a causal factor in regeneration failure. We demonstrate that the SLRPs Chondroadherin, Fibromodulin, Lumican, and Prolargin are enriched in human, but not zebrafish, CNS lesions. Targeting SLRPs to the zebrafish injury ECM inhibits axon regeneration and functional recovery. Mechanistically, we find that SLRPs confer structural and mechanical properties to the lesion environment that are adverse to axon growth. Our study reveals SLRPs as previously unknown inhibitory ECM factors in the human CNS that impair axon regeneration by modifying tissue mechanics and structure. ONE SENTENCE SUMMARY Composition, structural organization, and mechanical properties of the injury ECM direct central nervous system regeneration.

Abstract Altered biophysical properties of cancer cells and of their microenvironment contribute to cancer progression. While the relationship between microenvironmental stiffness and cancer cell mechanical properties and responses has been previously studied using two-dimensional (2D) systems, much less is known about it in a physiologically more relevant 3D context and in particular for multicellular systems. To investigate the influence of microenvironment stiffness on tumor spheroid mechanics, we first generated MCF-7 tumor spheroids within matrix metalloproteinase (MMP)-degradable 3D polyethylene glycol (PEG)-heparin hydrogels, where spheroids showed reduced growth in stiffer hydrogels. We then quantitatively mapped the mechanical properties of tumor spheroids in situ using Brillouin microscopy. Maps acquired for tumor spheroids grown within stiff hydrogels showed elevated Brillouin frequency shifts (hence increased longitudinal elastic moduli) with increasing hydrogel stiffness. Maps furthermore revealed spatial variations of the mechanical properties across the spheroids’ cross-sections. When hydrogel degradability was blocked, comparable Brillouin frequency shifts of the MCF-7 spheroids were found in both compliant and stiff hydrogels, along with similar levels of growth-induced compressive stress. Under low compressive stress, single cells or free multicellular aggregates showed consistently lower Brillouin frequency shifts compared to spheroids growing within hydrogels. Thus, the spheroids’ mechanical properties were modulated by matrix stiffness and degradability as well as multicellularity, and also to the associated level of compressive stress felt by tumor spheroids. Spheroids generated from a panel of invasive breast, prostate and pancreatic cancer cell lines within degradable stiff hydrogels, showed higher Brillouin frequency shifts and less cell invasion compared to those in compliant hydrogels. Taken together, our findings contribute to a better understanding of the interplay between cancer cells and microenvironment mechanics and degradability, which is relevant to better understand cancer progression.

ABSTRACT As neurons are often born at positions different than where they ultimately function, neuronal migration is key to ensure successful nervous system development. Radial migration during which neurons featuring unipolar and bipolar morphology, employ pre-existing processes or underlying cells for directional guidance, is the most well explored neuronal migration mode. However, how neurons that display multipolar morphology, without such processes, move through highly crowded tissue environments towards their final positions remains elusive. To understand this, we here investigated multipolar migration of horizontal cells in the zebrafish retina. We found that horizontal cells tailor their movements to the environmental spatial constraints of the crowded retina, by featuring several characteristics of amoeboid migration. These include cell and nucleus shape changes, and persistent rearward polarization of stable F-actin, which enable horizontal cells to successfully move through the crowded retina. Interference with the organization of the developing retina by changing nuclear properties or overall tissue architecture, hampers efficient horizontal cell migration and layer formation. Thus, cell-tissue interplay is crucial for efficient migration of horizontal cells in the retina. In view of high proportion of multipolar neurons, the here uncovered ameboid-like neuronal migration mode might also be crucial in other areas of the developing brain.

ABSTRACT In processes such as development and regeneration, where large cellular and tissue rearrangements occur, cell fate and behavior are strongly influenced by tissue mechanics. While most well-established tools probing mechanical properties require an invasive sample preparation, confocal Brillouin microscopy captures mechanical parameters optically with high resolution in a contact-free and label-free fashion. In this work, we took advantage of this tool and the transparency of the highly regenerative axolotl to probe its mechanical properties in vivo for the first time. We mapped the Brillouin frequency shift with high resolution in developing limbs and regenerating digits, the most studied structures in the axolotl. We detected a gradual increase in the cartilage Brillouin frequency shift, suggesting decreasing tissue compressibility during both development and regeneration. Moreover, we were able to correlate such increase with the regeneration stage, which was undetected with fluorescence microscopy imaging. The present work evidences the potential of Brillouin microscopy to unravel the mechanical changes occurring in vivo in axolotls, setting the basis to apply this technique in the growing field of epimorphic regeneration.

The mechanical properties of biological tissues are increasingly recognized as important factors in developmental and pathological processes. Most existing mechanical measurement techniques either necessitate destruction of the tissue for access or provide insufficient spatial resolution. Here, we show for the first time a systematic application of confocal Brillouin microscopy to quantitatively map the mechanical properties of spinal cord tissues during biologically relevant processes in a contact-free and non-destructive manner. Living zebrafish larvae were mechanically imaged in all anatomical planes, during development and after spinal cord injury. These experiments revealed that Brillouin microscopy is capable of detecting the mechanical properties of distinct anatomical structures without interfering with the animal's natural development. The Brillouin shift within the spinal cord increased during development and transiently decreased during the repair processes following spinal cord transection. By taking into account the refractive index distribution, we explicitly determined the apparent longitudinal modulus and viscosity of different larval zebrafish tissues. Importantly, mechanical properties differed between tissues in situ and in excised slices. The presented work constitutes the first step towards an in vivo assessment of spinal cord tissue mechanics during regeneration, provides a methodical basis to identify key determinants of mechanical tissue properties and allows to test their relative importance in combination with biochemical and genetic factors during developmental and regenerative processes.

Cell mechanical measurements are gaining increasing interest in biological and biomedical studies. However, there are no standardized calibration particles available that permit the cross-comparison of different measurement techniques operating at different stresses and time-scales. Here we present the rational design, production, and comprehensive characterization of poly-acylamide (PAAm) microgel beads mimicking biological cells. We produced mono-disperse beads at rates of 20 - 60 kHz by means of a microfluidic droplet generator, where the pre-gel composition was adjusted to tune the beads' elasticity in the range of cell and tissue relevant mechanical properties. We verified bead homogeneity by optical diffraction tomography and Brillouin microscopy. Consistent elastic behavior of microgel beads at different shear rates was confirmed by AFM-enabled nanoindentation and real-time deformability cytometry (RT-DC). The remaining inherent variability in elastic modulus was rationalized using polymer theory and effectively reduced by sorting based on forward-scattering using conventional flow cytometry. Our results show that PAAm microgel beads can be standardized as mechanical probes, to serve not only for validation and calibration of cell mechanical measurements, but also as cell-scale stress sensors.

Abstract Biomolecular condensates have recently been identified as a ubiquitous means of intracellular organization. Investigating the molecular interactions determining the formation, and physical properties of biomolecular condensates provides key insights for understanding their biological function, and dysfunction. Here, we applied Brillouin microscopy and quantitative phase imaging to quantify average molecular interaction strength, dry mass density, and protein volume fraction in protein condensates in vitro. We monitored the physical changes in FUS condensates in response to altering temperature and ion concentration. Conditions favoring phase separation increased Brillouin shift, linewidth, and dry mass density. In contrast to solidification by chemical crosslinking, physical aging of condensates had only a small impact on the Brillouin shift. Physical aging was suppressed at a high ion concentration. Finally, we characterized sequence variations of the low-complexity domain of hnRNPA1 that change the driving force for phase separation and found that they also alter the physical properties of the condensates. Our results provide a new experimental perspective on the physical properties of protein condensates and their sensitivity to solution conditions, sequence, and as a function of time.