Single cell analysis reveals all-or-none G1 arrest decisions upon TGFβ stimulation

Abstract

Der transformierende Wachstumsfaktor-β (TGFβ) übt verschiedene Wirkungen auf die Regulierung zahlreicher biologischer Prozesse aus. Insbesondere die zytostatische Wirkung von TGFβ ist wichtig, um die Homöostase in Geweben aufrechtzuerhalten und proliferative Störungen, wie in Krebs, zu verhindern. Frühere Studien zur Regulation des Zellzyklus mit TGFβ wurden auf Populationsebene, oft durch physikalische oder chemische Synchronisation durchgeführt. Dabei wird die Heterogenität auf zellulärer Ebene vernachlässigt und die Anfälligkeit gegen potenzielle Artefakte erhöht. Um zu verstehen, wie einzelne Zellen TGFβ-Signale entschlüsseln und diese in die Entscheidung zur Zellproliferation integrieren, wurden sowohl die Dynamik der TGFβ-Signale als auch die Zellzyklusprogression in asynchronen Zellen durch „Live Cell Imaging“ quantifiziert. In Kombination von experimentellen und theoretischen Studien wurde gezeigt, dass TGFβ einen „Alles-oder-Nichts-G1- Stillstand“ auslöst, der sowohl dosisabhängig als auch phasenabhängig ist. Wenn die Zellen während der S / G2 / M-Phase TGFβ ausgesetzt werden, erfahren sie in der darauf folgenden G1-Phase einen ererbten, verzögerten Stillstand. Zusätzlich sind die Zellen nach einem TGFβ-Stimulationsimpuls für weitere TGFβ-Behandlungen unempfindlich. In Anbetracht der Bedeutung von Einzelzellinformationen und den Herausforderungen bei der automatischen Zellverfolgung wurde ein Rahmenkonzept von „Population to Single Cell“ (P2S-Framework) erarbeitet, um von der Populationsdynamik auf die Abstammung einzelner Zellen zu schließen. Zusammengefasst bietet diese Arbeit neue Einblicke in Strategien zur Kontrolle der Zellproliferation durch Manipulation der TGFβ-Signalgebung.

The transforming growth factor-β (TGFβ) exerts diverse effects on regulating numerous biological processes. Especially, the cytostatic effect of TGFβ is important for maintaining tissue homeostasis and preventing proliferative disorders, like cancer. Previous studies on the regulation of cell cycle by TGFβ were conducted at the population level, and often through physical or chemical synchronization, which neglected cellular heterogeneity and might introduce artifacts. To understand how individual cells decode and integrate TGFβ signals into cell proliferation decisions, we quantitatively characterized both TGFβ signaling dynamics and cell cycle progression in asynchronous cells by live cell imaging. Combining experimental and theoretical studies, we demonstrated that TGFβ triggers all-or-none G1 arrest, which is both dose-dependent and phase- dependent. When exposed to TGFβ during S/G2/M phase, cells undergo an inherited, delayed arrest at the next G1 phase. In addition, after one pulse of TGFβ stimulation, cells are refractory to further TGFβ treatments. Considering the importance of single cell information and challenges in automatic cell tracking, we proposed a Population to Single cell framework (P2S framework) to infer single- cell lineages from population dynamics. Taken together, this work provides new insight into strategies to control cell proliferation by manipulating TGFβ signaling.