Abstract Proper orientation of the mitotic spindle plays a crucial role in embryos, during tissue development, and in adults, where it functions to dissipate mechanical stress to maintain tissue integrity and homeostasis. While mitotic spindles have been shown to reorient in response to external mechanical stresses, the subcellular cues that mediate spindle reorientation remain unclear. Here, we have used a combination of optogenetics and computational modelling to better understand how mitotic spindles respond to inhomogeneous tension within the actomyosin cortex. Strikingly, we find that the optogenetic activation of RhoA only influences spindle orientation when it is induced at both poles of the cell. Under these conditions, the sudden local increase in cortical tension induced by RhoA activation reduces pulling forces exerted by cortical regulators on astral microtubules. This leads to a perturbation of the torque balance exerted on the spindle, which causes it to rotate. Thus, spindle rotation in response to mechanical stress is an emergent phenomenon arising from the interaction between the spindle positioning machinery and the cell cortex.

Abstract The direction in which a cell divides is set by the orientation of its mitotic spindle and is important for determining cell fate, controlling tissue shape and maintaining tissue architecture. Division perpendicular to the plane of the substrate can promote tissue stratification during development or wound healing, but also metastasis when orientation is aberrant. Much is known about the molecular mechanisms involved in setting the spindle orientation. However, less is known about the contribution of mechanical factors, such as tissue tension, in ensuring spindle orientation in the plane of the epithelium, despite epithelia being continuously subjected to mechanical stresses. Here, we used suspended epithelial monolayers devoid of extracellular matrix and subjected to varying levels of tissue tension to study the orientation of division relative to the tissue plane. We found that decreasing tissue tension by compressing the monolayers or by inhibiting myosin contractility leads to a higher frequency of out-of-plane divisions. Reciprocally, accurate in-plane division can be restored by increasing tissue tension by increasing cell contractility or by tissue stretching. By considering the full three-dimensional geometry of the epithelium, we show that spindles are sensitive to tissue tension, independently of cell shape, through its impact on the tension at subcellular surfaces. Overall, our data suggest that accurate spindle orientation in the plane of the epithelium necessitates the presence of a sufficiently large tension at intercellular junctions. Significance statement In growing epithelia, divisions are typically oriented in the plane of the tissue to drive expansion. In some organs, divisions are then re-oriented so that they occur perpendicular to the epithelium plane to drive tissue stratification and cell differentiation. When uncontrolled, this switch in orientation can lead to defects in tissue organisation and, in cancer, likely contribute to metastasis. While much is known about the molecular mechanisms controlling mitotic spindle orientation, less is known about the role of mechanical factors. Here we use mechanical and chemical perturbations to show that mechanics plays a role in controlling the plane of division. Overall, our data suggest that the orientation of spindles in the epithelium plane requires sufficient tension across intercellular junctions.

Throughout embryonic development and adult life, epithelia are subjected to external forces. The resulting deformations can have a profound impact on tissue development and function. These include compressive deformations which, although hard to study in model systems due to the confounding effects of the substrate, are thought to play an important role in tissue morphogenesis by inducing tissue folding and by triggering mechanosensitive responses including cell extrusion and cell differentiation. Here, using suspended epithelia, we are able to uncover the immediate response of epithelial tissues to the application of large (5-80%) in-plane compressive strains. We show that fast compression induces tissue buckling followed by active tissue flattening which erases the buckle within tens of seconds. Strikingly, there is a well-defined limit to this second response, so that stable folds form in the tissue for compressive strains larger than ~35%. Finally, a combination of experiment and modelling shows that the response to compression is orchestrated by the automatic adaptation of the actomyosin cytoskeleton as it re-establishes tension in compressed tissues. Thus, tissue pre-tension allows epithelia to both buffer against fast compression and regulate folding.

The ability of epithelial cells to divide along their long cell axis, known as "Hertwig's rule", has been proposed to play an important and wide-ranging role in homogenising epithelial cell packing during tissue development and homeostasis. Since the position of the anaphase spindle defines the division plane, how divisions are oriented requires an understanding of the mechanisms that position the mitotic spindle. While many of the molecules required to orient the mitotic spindle have been identified in genetic screens, the mechanisms by which spindles read and align with the long cell axis remain poorly understood. Here, in exploring the dynamics of spindle orientation in mechanically distinct regions of the fly notum, we find that the ability of cells to properly orient their divisions depends both on cortical cues and on local tissue tension. Thus, spindles align with the long cell axis in tissues in which isotropic tension is elevated, but fail to do so in elongated cells within the crowded midline, where tension is low. Importantly, these region-specific differences in spindle behaviour can be reversed by decreasing or increasing the activity of non-muscle Myosin II. In addition, spindles in a tissue experiencing isotropic stress fail to align with the long cell axis if cells are mechanically isolated from their neighbours. These data lead us to propose that isotropic tension is required within an epithelium to provide cells with a mechanically stable substrate upon which localised cortical Dynein can pull on astral microtubules to orient the spindle.

Epithelial monolayers are two-dimensional cell sheets which compartmentalise the body and organs of multi-cellular organisms. Their morphogenesis during development or pathology results from patterned endogenous and exogenous forces and their interplay with tissue mechanical properties. In particular, bending of epithelia is thought to results from active torques generated by the polarization of myosin motors along their apico-basal axis. However, the contribution of these out-of-plane forces to morphogenesis remains challenging to evaluate because of the lack of direct mechanical measurement. Here, we use epithelial curling to characterize the out-of-plane mechanics of epithelial monolayers. We find that curls of high curvature form spontaneously at the free edge of epithelial monolayers devoid of substrate in vivo and in vitro. Curling originates from an enrichment of myosin in the basal domain that generates an active spontaneous curvature. By measuring the force necessary to flatten curls, we can then estimate the active torques and the bending modulus of the tissue. Finally, we show that the extent of curling is controlled by the interplay between in-plane and out-of-plane stresses in the monolayer. Such mechanical coupling implies an unexpected role for in-plane stresses in shaping epithelia during morphogenesis.