Mechanisms and developmental functions of cytoplasmic flows in early embryogenesis

点击翻译按钮获取中文摘要

Abstract  The  integration  of  biochemical  and  mechanical  signals  is  an  important  and  ubiquitous  feature  of  biological  systems.  During  embryonic  development,  this  integration  is  required  for  complex  tissue  organization  and  function. We have recently shown that during the early, pre-­blastoderm stages of Drosophila embryogenesis the  integrated activities of the cell cycle oscillator and actomyosin contractility generate a self-­organized mechanism  of nuclear positioning which is essential for synchronization of the cell cycle. At the core of this mechanism are  cytoplasmic  flows  that  are  initiated  by  cortical  contractions.  These,  in  turn,  are  linked  spatiotemporally  to  the  oscillation of mitotic Cyclin-­dependent kinase 1 (Cdk1) and protein phosphatase 1 (PP1). These flows are able  to transport nuclei and are responsible for their accurate positioning across the embryo. The goal of this proposal  is to build on these novel findings and to understand more deeply the mechanisms and developmental functions  of cytoplasmic flows. We will take three approaches to address these fundamental questions. 1. We will build a  biophysical model that captures the coupling of biochemical and mechanical signals and the effective physical  properties of the cytoplasm. The coupling between the cytoskeleton and the cytosol will be modeled by a two-­ fluid model: an active contractile gel and a viscous cytosol. 2. We will use genetic and optogenetics approaches  to alter cortical contractility as well as transgenic approaches to change the geometry of the embryo and a novel  setup to control temperature. These experiments will provide a novel paradigm for understanding the molecular  mechanisms  underlying  the  generation  and  the  properties  of  cytoplasmic  flows.  3.  We  will  test  whether  cytoplasmic  flows  play  a  role  in  the  formation  of  morphogen  gradients.  Specifically,  we  will  use  quantitative  imaging and mathematical modeling to determine whether cytoplasmic flows affect the formation of the anterior-­ posterior  gradient  of  Bicoid  morphogen  in  the  syncytial  Drosophila  embryo.  Taken  together  these  studies  will  provide a new paradigm for the integration of biochemical and mechanical signals that is likely to have general  relevance for other developmental systems.