Cell movement has essential functions in development, immunity, and cancer. Various cell migration patterns have been reported, but no general rule has emerged so far. Here, we show on the basis of experimental data in vitro and in vivo that cell persistence, which quantifies the straightness of trajectories, is robustly coupled to cell migration speed. We suggest that this universal coupling constitutes a generic law of cell migration, which originates in the advection of polarity cues by an actin cytoskeleton undergoing flows at the cellular scale. Our analysis relies on a theoretical model that we validate by measuring the persistence of cells upon modulation of actin flow speeds and upon optogenetic manipulation of the binding of an actin regulator to actin filaments. Beyond the quantitative prediction of the coupling, the model yields a generic phase diagram of cellular trajectories, which recapitulates the full range of observed migration patterns.

Directional cell motility during organism and tissue development, homeostasis and disease requires symmetry breaking. This process relies on the ability of single cells to establish a front-rear polarity, and can occur in absence of external cues. The initiation of migration has been attributed to the spontaneous polarization of cytoskeleton components, while the spatio- temporal evolution of cytoskeletal forces arising from continuous mechanical cell-substrate interaction has yet to be resolved. Here, we establish a one- dimensional microfabricated migration assay that mimics complex in vivo fibrillar environment while being compatible with high-resolution force measurements, quantitative microscopy, and optogenetics. Quantification of morphometric and mechanical parameters reveals a generic stick-slip behavior initiated by contractility-dependent stochastic detachment of adhesive contacts at one side of the cell, which is sufficient to drive directional cell motility in absence of pre-established cytoskeleton polarity or morphogen gradients. A theoretical model validates the crucial role of adhesion dynamics during spontaneous symmetry breaking, proposing that the examined phenomenon can emerge independently of a complex self-polarizing system.

Abstract The dynamics of the cytoskeleton and cell shape relies on the coordinated activation of RhoGTPase molecular switches. Among them, Rac1 participates to the orchestration in space and time of actin branching and protrusion/retraction cycles of the lamellipodia at the cell front during mesenchymal migration. Biosensor imaging has revealed a graded concentration of active GTP-loaded Rac1 in protruding regions of the cell. Here, using single molecule imaging and super-resolution microscopy, we reveal an additional supramolecular organization of Rac1. We find that, similarly to H-Ras, Rac1 partitions and is immobilized into nanoclusters of 50-100 molecules each. These nanoclusters assemble due to the interaction of the polybasic tail of Rac1 with the phosphoinositide lipids PIP2 and PIP3. The additional interactions with GEFs, GAPs, downstream effectors, and possibly other partners are responsible for an enrichment of Rac1 nanoclusters in protruding regions of the cell. Using optogenetics and micropatterning tools, we find that activation of Rac1 leads to its immobilization in nanoclusters and that the local level of Rac1 activity matches the local density of nanoclusters. Altogether, our results show that subcellular patterns of Rac1 activity are supported by gradients of signaling nanodomains of heterogeneous molecular composition, which presumably act as discrete signaling platforms. This finding implies that graded distributions of nanoclusters might encode spatial information. Significance statement The plasma membrane of eukaryotic cells is a highly organized surface where hundreds of incoming signals are transduced to the intracellular space. How cells encode faithfully this myriad of signals is a fundamental question. Here we show that Rac1, a critical membrane-bound protein involved in the regulation of cytoskeletal dynamics, forms small aggregates together with other regulating proteins. These supramolecular assemblies, called nanoclusters, are the “quantal” units of signaling. By increasing the local concentration, nanoclusters set thresholds for downstream signaling and ensure the fidelity of information transduction. We found that Rac1 nanoclusters are distributed as spatial gradients matching the patterns of Rac1 activity. We propose that cells can encode positional information through distributed signaling quanta, hereby ensuring spatial fidelity.

During migration, cells present a polarized activity that is aligned with the direction of motion. This cell polarity is established by an internal molecular circuitry, without the requirement of extracellular cues. At the heart of this circuitry, Rho GTPases spontaneously form spatial gradients that define the front and back of migrating cells. At the front of the cell, active Cdc42 forms a steep gradient whereas active Rac1 forms a more extended pattern peaking a few microns away from the cell tip. What are the mechanisms shaping these gradients, and what is the functional role of the shape of these gradients? Combining optogenetics and cell micopatterning, we show that Cdc42 and Rac1 gradients are set by spatial patterns of activators and deactivators and not directly by advection or diffusion mechanisms. Cdc42 simply follows the distribution of GEFs thanks to a uniform GAP activity, whereas Rac1 shaping requires the activity of an additional GAP, β2-chimaerin, which is sharply localized at the tip of the cell. We find that β2-chimaerin recruitment depends on feedbacks from Cdc42 and Rac1. Functionally, the extent -neither the slope nor the amplitude- of RhoGTPases gradients governs cell migration. A Cdc42 gradient with a short spatial extent is required to maximize directionality during cell migration while an extended Rac1 gradient controls the speed of the cell.

The directed migration of cell collectives is essential in various physiological processes, such as epiboly, intestinal epithelial turnover, and convergent extension during morphogenesis as well as during pathological events like wound healing and cancer metastasis. Collective cell migration leads to the emergence of coordinated movements over multiple cells. Our current understanding emphasizes that these movements are mainly driven by large-scale transmission of signals through adherens junctions. In this study, we show that collective movements of epithelial cells can be triggered by polarity signals at the single cell level through the establishment of coordinated lamellipodial protrusions. We designed a minimalistic model system to generate one dimensional epithelial trains confined in ring shaped patterns that recapitulate rotational movements observed in vitro in cellular monolayers and in vivo in genitalia or follicular cell rotation. Using our system, we demonstrated that cells follow coordinated rotational movements after the establishment of directed Rac1-dependent polarity over the entire monolayer. Our experimental and numerical approaches show that the maintenance of coordinated migration requires the acquisition of a front-back polarity within each single cell but does not require the maintenance of cell-cell junctions. Taken together, these unexpected findings demonstrate that collective cell dynamics in closed environments as observed in multiple in vitro and in vivo situations can arise from single cell behavior through a sustained memory of cell polarity.