Abstract Oocytes are large and resourceful. During oogenesis some germ cells grow, typically at the expense of others that undergo apoptosis. How germ cells are selected to live or die out of a homogeneous population remains unclear. Here we show that this cell fate decision in C. elegans is mechanical and related to tissue hydraulics. Germ cells become inflated when the pressure inside them is lower than in the common cytoplasmic pool. This condition triggers a hydraulic instability which amplifies volume differences and causes some germ cells to grow and others to shrink. Shrinking germ cells are extruded and die, as we demonstrate by reducing germ cell volumes via thermoviscous pumping. Together, this reveals a robust mechanism of mechanochemical cell fate decision making in the germline.

Abstract How bulk cytoplasm generates forces to separate post-anaphase microtubule (MT) asters in Xenopus laevis and other large eggs remains unclear. Previous models proposed dynein-based organelle transport generates length-dependent forces on astral MTs that pull centrosomes through the cytoplasm, away from the midplane. In Xenopus egg extracts, we co-imaged MTs, endoplasmic reticulum (ER), mitochondria, acidic organelles, F-actin, keratin, and fluorescein in moving and stationary asters. In asters that were moving in response to dynein and actomyosin forces, we observed that all cytoplasmic components moved together, i.e., as a continuum. Dynein-mediated organelle transport was restricted by interior MTs and F-actin. Organelles exhibited a burst of dynein-dependent inward movement at the growing aster surface, then mostly halted inside the aster. Dynein-coated beads were slowed by F-actin, but in contrast to organelles, beads did not halt inside asters. These observations call for new models of aster positioning based on surface forces and internal stresses.

Abstract Actomyosin is a canonical example of an active material, driven out of equilibrium in part through the injection of energy by myosin motors. This influx of energy allows actomyosin networks to generate cellular-scale contractility, which underlies cellular processes ranging from division to migration. While the molecular players underlying actomyosin contractility have been well characterized, how cellular-scale deformation in disordered actomyosin networks emerges from filament-scale interactions is not well understood. Here, we address this question in vivo using the meiotic surface contraction wave of Patiria miniata oocytes. Using pharmacological treatments targeting actin polymerization, we find that the cellular deformation rate is a nonmonotonic function of cortical actin density peaked near the wild type density. To understand this, we develop an active fluid model coarse-grained from filament-scale interactions and find quantitative agreement with the measured data. This model further predicts the dependence of the deformation rate on the concentration of passive actin crosslinkers and motor proteins, including the surprising prediction that deformation rate decreases with increasing motor concentration. We test these predictions through protein overexpression and find quantitative agreement. Taken together, this work is an important step for bridging the molecular and cellular length scales for cytoskeletal networks in vivo .

Abstract The female meiotic spindles of most animals are acentrosomal and undergo striking morphological changes while transitioning from metaphase to anaphase. The ultra-structure of acentrosomal spindles, and how changes to this structure correlate with such dramatic spindle rearrangements remains largely unknown. To address this, we applied light microscopy, large-scale electron tomography and mathematical modeling of female meiotic C. elegans spindles undergoing the transition from metaphase to anaphase. Combining these approaches, we find that meiotic spindles are dynamic arrays of short microtubules that turn over on second time scales. The results show that the transition from metaphase to anaphase correlates with an increase in the number of microtubules and a decrease in their average length. Detailed analysis of the tomographic data revealed that the length of microtubules changes significantly during the metaphase-to-anaphase transition. This effect is most pronounced for those microtubules located within 150 nm of the chromosome surface. To understand the mechanisms that drive this transition, we developed a mathematical model for the microtubule length distribution that considers microtubule growth, catastrophe, and severing. Using Bayesian inference to compare model predictions and data, we find that microtubule turn-over is the major driver of the observed large-scale reorganizations. Our data suggest that in metaphase only a minor fraction of microtubules, those that are closest to the chromosomes, are severed. The large majority of microtubules, which are not in close contact with chromosomes, do not undergo severing. Instead, their length distribution is fully explained by growth and catastrophe alone. In anaphase, even microtubules close to the chromosomes show no signs of cutting. This suggests that the most prominent drivers of spindle rearrangements from metaphase to anaphase are changes in nucleation and catastrophe rate. In addition, we provide evidence that microtubule severing is dependent on the presence of katanin.

The mitotic spindle ensures the faithful segregation of chromosomes. To discover the nature of the crucial centrosome-to-chromosome connection during mitosis, we combined the first large-scale serial electron tomography of whole mitotic spindles in early C. elegans embryos with live-cell imaging. Using tomography, we reconstructed the positions of all microtubules in 3D, and identified their plus- and minus-ends. We classified them as kinetochore (KMTs), spindle (SMTs), or astral microtubules (AMTs) according to their positions, and quantified distinct properties of each class. While our light microscopy and mutant studies show that microtubules are nucleated from the centrosomes, we find only a few KMTs are directly connected to the centrosomes. Indeed, by quantitatively analysing several models of microtubule growth, we conclude that minus-ends of KMTs have selectively detached and depolymerized from the centrosome. In toto, our results show that the connection between centrosomes and chromosomes is mediated by an anchoring into the entire spindle network and that any direct connections through KMTs are few and likely very transient.

Summary The non-muscle actomyosin cytoskeleton generates contractile force through the dynamic rearrangement of its constituent parts. Actomyosin rings are a specialization of the non-muscle actomyosin cytoskeleton that drive cell shape changes during division, wound healing, and other events. Contractile rings throughout phylogeny and in a range of cellular contexts are built from conserved components including non-muscle myosin II (NMMII), actin filaments (F-actin), and crosslinking proteins. However, it is unknown whether diverse actomyosin rings close via a single unifying mechanism. To explore how contractile forces are generated by actomyosin rings, we studied three instances of ring closure within the common cytoplasm of the C. elegans oogenic germline: mitotic cytokinesis of germline stem cells (GSCs), apoptosis of meiotic compartments, and cellularization of oocytes. We found that each ring type closed with unique kinetics, protein density and abundance dynamics. These measurements suggested that the mechanism of contractile force generation varied across the subcellular contexts. Next, we formulated a physical model that related the forces generated by filament-filament interactions to the material properties of these rings that dictate the kinetics of their closure. Using this framework, we related the density of conserved cytoskeletal proteins anillin and NMMII to the kinematics of ring closure. We fitted model rings to in situ measurements to estimate parameters that are currently experimentally inaccessible, such as the asymmetric distribution of protein along the length of F-actin, which occurs naturally due to differences in the dimensions of the crosslinker and NMMII filaments. Our work predicted that the role of NMMII varies across these ring types, due in part to its distribution along F-actin and motoring. Our model also predicted that the degree of contractility and the impact of ring material properties on contractility differs among ring types.