Zugl.: Leipzig, Univ., Diss. A. Wurm, 2007

Die Aufrechterhaltung des Zellvolumens unter variablen osmotischen Bedingungen stellt für nahezu alle tierischen Zellen eine essenzielle Aufgabe dar. Um regulatorische Volumenanpassungen vorzunehmen besitzen sie daher effektive Mechanismen, mit deren Hilfe der zelluläre Gehalt an organischen und anorganischen Osmolyten erhöht (= regulatorische Volumenzunahme; RVI) oder gesenkt (= regulatorische Volumenabnahme; RVD) werden kann. Trotz langjähriger Forschung auf diesem Gebiet konnten die hieran beteiligten Transportwege für Osmolyte bisher nur unvollständig aufgeklärt werden. Insbesondere bei T-Lymphozyten sind wichtige Zellfunktionen wie die Proliferation, Migration und die T-Zell-Aktivierung eng mit volumenregulatorischen Mechanismen verbunden. Bei all diesen Prozessen sind u. a. unterschiedliche Kaliumkanäle beteiligt, die insbesondere für die pharmakologische Manipulation von Immunsystemprozessen von wissenschaftlichem Interesse sind. Bisherige Modelle der hypotonen Volumenregulation von T-Lymphozyten berücksichtigen lediglich den spannungsabhängigen KV1.3 sowie den Ca2+-aktivierten IKCa1-Kanal, die zur Klasse der 6TM/P-K+-Kanäle gehören. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine potentielle Rolle von kürzlich entdeckten Zwei-Poren Domänen Kaliumkanälen (K2P) am RVD von murinen und humanen primären CD4+-T-Lymphozyten untersucht. In einem kombinierten genetischen und pharmakologischen Ansatz mittels knockout-Tiermodellen und dem Einsatz kanalspezifischer Inhibitoren konnte mithilfe zellvolumetrischer Analysen gezeigt werden, dass die K2P-Vertreter TASK1, TASK2, TASK3 und TRESK maßgeblich am schwellungsaktivierten Efflux von K+ beteiligt sind. Beurteilt an den Ergebnissen dieser Untersuchung sind der spannungsabhängige TASK2- und der Ca2+-aktivierte TRESK-Kanal für die hypotone Volumenregulation in T-Zellen deutlich bedeutender als TASK1 und TASK3. Der Beitrag der Kanäle TASK2 und TRESK am RVD-Prozess war über dies vergleichbar mit dessen des bisher bekannten KV1.3-Kanals. In dieser Arbeit wurde damit erstmals eine Beteiligung der K2P-Kanäle am RVD muriner und humaner CD4+-Lymphozyten identifiziert. Aufgrund der engen Verbindung zwischen T-Zell-Funktion und der Volumenregulation können Zwei-Poren Domänen K+-Kanäle damit in den engeren Kreis potentieller immunmodulierende Angriffspunkte aufgefasst werden. Im zweiten und umfangreicheren Teil dieser Arbeit wurden darüber hinaus die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte (small organic osmolytes; SOOs) untersucht. SOOs stellen chemisch inerte Verbindungen dar, zu denen vor allem Polyole (Sorbitol, myo-Inositol), Methylamine (Betain, α-Glycerophosphocholin) sowie Aminosäuren (α- bzw. β-Alanin und Prolin) und deren Derivate (Taurin) zählen. Da SOOs weder die zelluläre Struktur noch die Funktion von Makromolekülen beeinträchtigen, sind sie wichtige Instrumente der Volumenregulation, die sich in hohen Konzentrationen im Zytosol nahezu aller Zellen wiederfinden. Werden tierische Zellen mit hypotonen Bedingungen konfrontiert, dann ist bei nahezu allen Zellen die Freisetzung organischer Osmolyte zu beobachten, wodurch die zelluläre Osmolarität unabhängig von Elektrolyten angepasst werden kann. Trotz der wichtigen Funktion der SOOs in der Osmoregulation tierischer Zellen konnte die molekulare Identität beteiligter Effluxwege (Kanäle bzw. Transporter) bisher nicht aufgeklärt werden. Ungeachtet der molekularen Identität der SOO-Effluxwege war es aus zahlreichen biotechnologischen Anwendungen zu Beginn dieser Arbeit bekannt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte eine größenselektive Permeabilität für eine Reihe monomerer Zucker und verwandter Verbindungen aufweisen. Um diese Größenselektivität näher zu charakterisieren, wurde im ersten Schritt die schwellungsaktivierte Membranpermeabilität für eine Reihe strukturell homogener Polyethylenglykole unterschiedlicher Polymerlänge (PEG200–1500; hydrodynamische Radien zwischen ~0,5-1,5 nm) unter iso- und hypotonen Bedingungen in Jurkat-Lymphozyten untersucht. Unter milden hypotonen Bedingungen (200 mOsm) war die Plasmamembran der untersuchten Lymphozyten für PEG300-1500 undurchlässig, was aus der Fähigkeit der Zellen zur hypotonen Volumenregulation geschlossen werden konnte. Darüber hinaus wurde RVD in stark hypotonen Lösungen (100 mOsm) mit PEG600-1500 beobachtet, während PEG300-400 unter vergleichbaren osmotischen Bedingungen die Volumenregulation der Zellen inhibierten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass starkes hypotones Zellschwellen der Lymphozyten zur Permeabilisierung der Plasmamembran für PEG300-400, nicht jedoch für PEG600-1500, führt. Anhand der hydrodynamischen Radien Rh der verwendeten PEGs konnte ein cutoff-Radius von ~0,74 nm für schwellungsaktivierte Transportwege organischer Osmolyte bestimmt werden. Da diese schwellungsaktivierten Transportwege vielfältig für Zellbeladungstechniken verwendet werden, könnte dieses Ergebnis für zahlreiche biotechnologische und biomedizinische Anwendungen von Interesse sein. Im zweiten Schritt wurde der Versuch unternommen, potentielle Transportwege für organische Osmolyte im RVD-Prozess molekular zu identifizieren. Da es grundlegend ungeklärt war, wie viele unterschiedliche Transporter bzw. Kanäle am Efflux der zahlreichen organischen Osmolyte beteiligt sind, erfolgte zunächst die vergleichende Analyse des schwellungsaktivierten Membrantransports strukturell verschiedener SOOs einschließlich der Aminosulfonsäure Taurin und des Polyols myo-Inositol. Hierbei wurde erstmals gezeigt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für Taurin und myo-Inositol deutlich unterschiedliche Aktivitätsprofile aufweisen. Während der Taurintransport bereits unter milden hypotonen Bedingungen, d.h. nach einer geringen Absenkung der Osmolalität von 300 auf ~230 mOsm, aktiviert wurde, erfolgte die Aktivierung der Membranpermeabilität für myo-Inositol bei einer viel niedrigeren Osmolalität von ~150 mOsm. Darüber hinaus wiesen die beiden Transportwege unter vergleichbarem hypotonen Stress von 100 mOsm deutlich unterschiedliche Aktivitätsdauern auf (Transport von Taurin ~95 min und myo-Inositol ~40 min). Somit deuteten diese Ergebnisse erstmals auf substrat-spezifische Transportwege für SOOs hin, die voneinander stark abweichende osmotische Aktivierungsprofile besitzen. Als aussichtsreiche Kandidaten für diese Transportwege wurden zwei Mitglieder der Gruppe der Solute Carrier (SLC) untersucht, die klare Übereinstimmungen mit den gesuchten Transportern für SOOs aufweisen. Daher wurde im Weiteren eine RVD-Beteiligung dieser Transportergruppe mit einer Kombination aus molekularbiologischer und konventioneller bzw. hochaufgelöster mikroskopischen Techniken überprüft. Die semiqantitativen RT-PCR-Ergebnisse dieser Arbeit zeigen dabei, dass die Gentranskription der potentiellen SOO-Transporter SLC5A3 und SLC6A6 in den untersuchten Zelllinien Jurkat, HEK wie auch HepG2-Zellen durch hypotone Bedingungen deutlich verstärkt wird. Hierbei nimmt der zelluläre mRNA-Gehalt der Gene SLC5A3 zwischen 20-60% und SLC6A6 um 30-100% innerhalb von 10-20 min zu, was auf eine potentielle RVD-Beteiligung von SLC-Transportern hindeutet. Ausgehend von diesem Ergebnis wurde daraufhin die zelluläre Lokalisation des SLC5A3-Transporters unter isotonen und hypotonen Bedingungen mikroskopisch untersucht. Wie anhand der konfokalen lasermikroskopischen Untersuchung zu erkennen ist, findet unter hypotoner Stimulation eine zelluläre Umverteilung des mit EGFP fluoreszenzmarkierten Proteins SLC5A3 statt. Innerhalb von 10 min wird der Transporter dabei von intrazellulären Regionen in Richtung Plasmamembran verlagert. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der hochauflösenden Mikroskopie-Technik dSTORM gezeigt werden, dass der Transporter SLC5A3 unter hypotoner Stimulation verstärkt mit der Plasmamembran assoziiert vorliegt. Diese verstärkte Membranassoziation des SLC5A3-Proteins deutet damit auf einen schwellungsinduzierten exozytotischen Einbau des Transporters hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen damit erstmals, dass SLC-Transporter wie SLC5A3, SLC6A6 und vermutlich andere Vertreter der SLC-Superfamilie potentiell am Mechanismus der hypotonen Volumenregulation beteiligt sind. Da SLC-Transporter als wichtige Transportsysteme für Therapeutika angesehen werden und die Mechanismen der Volumenregulation bereits in zahlreichen biotechnologischen Anwendungen implementiert sind, könnte der hier aufgedeckte Zusammenhang einen Erkenntnisgewinn für zahlreiche biomedizinische Forschungsgebiete darstellen. / Cell volume homeostasis is critically important for the functional and structural integrity of mammalian cells. To counteract osmotically induced volume perturbations, cells possess efficient mechanisms that control the intracellular osmolyte composition. The volume regulatory mechanisms operating under hyper- and hypotonic conditions are known, respectively, as regulatory volume increase (RVI) and decrease (RVD). During both, RVI and RVD, cells adjust the cellular content of inorganic ions (most notably Na+, K+ and Cl-) and organic solutes in order to gain or lose osmotically obligated water. These mechanisms counteract osmotic cell damage and enable the adaptation of cells to a wide range of extracellular osmolarities. Despite decades of research in this field, many aspects of the mechanisms underlying RVD and RVI remain poorly understood. In case of T lymphocytes, various cellular functions, including proliferation, migration and T cell activation are closely associated with the cell volume regulatory machinery. Among other mechanisms, all these processes are tightly linked by a network of potassium channels. The identification of this network is of great biomedical interest as it provides a key to pharmacological manipulation of the immune system. Current models of hypotonic volume regulation (RVD) in T-lymphocytes consider primarily the voltage-gated KV1.3 and the calcium-activated IKCa1 channel. The first part of this thesis explores the potential role of two-pore domain (K2P) potassium channels in RVD in murine and human primary CD4+-T lymphocytes. Using a combined genetic and pharmacological approach, time-resolved cell volume analysis revealed an important role of the K2P channels TASK1, TASK2, TASK3 and TRESK in swelling activated K+ efflux from hypotonically swollen T cells. Based on the analysis carried out here, the voltage-gated TASK2 as well as the calcium-activated TRESK channel were found as the most important K2P channels involved in the RVD of both naïve and stimulated T cells. The importance of TASK2 and TRESK in the RVD process was comparable to that of KV1.3. In summary, the data provide first evidence that hypotonic volume regulation of murine and human CD4+-T lymphocytes relies on K2P channels. With respect to the close relationship of T-cell function and volume regulatory mechanisms K2P channels may thus be considered as potential targets for immunomodulation. In the second and major part of this thesis, the swelling-activated transport pathways for small organic osmolytes (SOOs) were investigated. Nearly all eukaryotic cells possess a considerable reservoir of SOOs, such as polyols (e.g. sorbitol, myo-inositol), methylamines (e.g. betaine, α-glycerophosphoryl choline) and small amino acids (e.g. α-/β- alanine, proline and the derivate taurine), which are synthesized within the cells or accumulated from the extracellular medium. Since SOOs do not interfere with the integrity of macromolecules and the membrane potential, cells tolerate great cytosolic fluctuations of these solutes without negative effects on cellular structure or function. Due to these properties, small organic osmolytes are important tools for cell volume regulatory mechanisms, by which the intracellular osmolarity can be adjusted independently of electrolytes. Although the importance of SOOs for hypotonic volume regulation has been known for long time, the molecular identity of participating membrane efflux pathways is far from being clear. Regardless of the involved transporters, swelling-activated pathways have been reported to exhibit a size selective permeability for a wide range of sugars and related compounds. To gain a deeper insight into this issue, in a first step the impact of the molecular size on the permeation of low-molecular-weight polyethylene glycols (PEG200–1500) through the plasma membrane of Jurkat cells under iso- and hypotonic conditions was analyzed. Upon moderate swelling in slightly hypotonic solutions (200 mOsm), the lymphocyte membrane was found to remain impermeable to PEG300–1500, which allowed the cells to accomplish regulatory volume decrease. RVD also occurred in strongly hypotonic solutions (100 mOsm) of PEG600–1500, whereas 100 mOsm solutions of PEG300–400 inhibited RVD. These findings suggest that extensive hypotonic swelling rendered the cell membrane highly permeable to PEG300–400, but not to PEG600–1500. Using the values of hydrodynamic radii Rh for PEGs, the observed size-selectivity of membrane permeation yielded an estimate of ∼0.74 nm for the cut-off radius of the swelling-activated pathway for organic osmolytes. This result may be of interest for many biotechnological and biomedical applications, where swelling-activated SOO-pathways are widely used for cell-loading techniques. As a second step, an attempt was made to elucidate the molecular identity of transporters for organic osmolytes potentially involved in RVD. Since it was not clear whether RVD-related efflux of SOOs is mediated by one common or several distinct transporter(s), at first, the plasma membrane permeability profiles for two structurally dissimilar SOOs, including the amino sulfonic acid taurine and the polyol myo-inositol were analyzed. The results of the time resolved volumetric measurements clearly showed that the membrane permeability to taurine was activated upon moderate cell swelling (by ~15%) in mildly hypotonic solutions (~230 mOsm). In sharp contrast, the membrane permeability to myo-inositol was activated after a much larger swelling (~50%) in strongly hypotonic media (<150 mOsm). Moreover, the swelling-activated permittivity to taurine during RVD in 100 mOsm medium persisted for about twice as long as that for myo-inositol (taurine ~95 min, myo-inositol ~40 min). These findings clearly showed that, taurine and myo-inositol utilized separate, apparently substrate-specific pathways, which were activated at different hypotonic thresholds. Since many members of SLC-family proteins (Solute Carrier) are known for their substrate selectivity and also for their contribution to osmoregulatory mechanisms a participation of SLCs was investigated in the context of RVD. To this end, a combination of molecular biological (semiquantitative RT-PCR) and fluorescence microscopy techniques (confocal and super-resolution microscopy) was used. The semiquantitative RT-PCR data showed a transcriptional upregulation for the SLC proteins SLC5A3 (myo-inositol transporter; SMIT) and SLC6A6 (taurine transporter TauT) in hypotonically stressed Jurkat lymphocytes, HEK293, and HepG2 cells. In all three human cell lines strongly hypotonic solutions (100 mOsm) increased the mRNA level of the genes SLC5A3 and SLC6A6 between 20-60% and 30-100%, respectively, suggesting a potential participation of SLC transporters in RVD. In addition, confocal microscopy images clearly showed the intracellular displacement of EGFP-tagged SLC5A3 expressed in HEK293 cells following strongly hypotonic stress (100 mOsm). Within 10 min the fluorescence of EGFP was shifted from intracellular regions towards the plasma membrane. Furthermore, super-resolution microscopy by means of dSTORM revealed a considerably increased membrane association of SLC5A3 in strongly hypotonic stressed (100 mOsm) HEK293 and Jurkat cells. This finding suggests that SLC5A3 is integrated into the plasma membrane by swelling-induced exocytosis. Taken together, the results of this investigation provided first evidence that transporters such as SLC5A3, SLC6A6 and probably other SLC-proteins participate in the mechanism of hypotonic volume regulation. Due to the relevance of SLC-proteins as potential drug delivery systems the possible role of these transporters might be of great interest for many biomedical research areas.

Universiẗat, Diss., 2005--Düsseldorf.

Universiẗat, Diss., 2005--Düsseldorf.

Das Studium der Entwicklung von Tieren ist eine der ältesten Disziplinen in der Biologie. Die gesammelten Daten von unzähligen Untersuchungen an den verschiedensten Spezies wurden dazu benutzt, um ein generelles Verständnis des tierischen Lebenszykluses zu formulieren. Ein wichtiges Ergebnis der intensiven Untersuchungen war vor etwa einem Jahrhundert die Entdeckung spezifischer morphologischer Veränderungen, die sich während der Teilungsphase, der Zeitperiode die der Befruchtung und Aktivierung des Eies am Anfang der Embryogenese folgt, vollziehen. Diese Befunde führten schlussendlich zur Formulierung des Konzepts einer „Mid-Blastula Transition“ (MBT). Bisher gibt es nur eine Theorie die die Regulierung der MBT in befriedigender Weise erklärt. Dies ist das Model des Kern/Plasma-Verhältnis, welches sich aus dem Verhältnis DNA-Menge zu Zytoplasmavolumen ableitet. Es erklärt die MBT-Aktivierung durch bisher unbekannte, maternal deponierte Faktoren im Ei, welche die MBT Aktivierung kontrollieren, deren Konzentration allerdings mit jeder Zellteilung verdünnt wird, bis sie schließlich ihre blockierende Funktion verloren haben. Zwar wurde die Existenz dieses Mechanismuses schon in zahlreichen Spezies experimentell bewiesen, allerdings bleibt er nur eine ungenaue Beschreibung der ablaufenden Prozesse und lässt weiterhin viele Fragen unbeantwortet. Vor diesem Hintergrund hat diese Arbeit gezeigt, dass die Zellzyklen in Embryonen von Medaka (Oryzias latipes) ihre Synchronität schon nach dem vierten oder fünften Teilung verlieren, und diese durch ein Teilungsmuster ersetzt wird, das als „metasynchron“ bezeichnet wird. In diesem Teilungsmuster verlaufen die Zellteilungen in Wellen, die im Zentrum des Embryos beginnen und sich von dort nach außen hin radial ausbreiten. Noch ist der Sinn einer auf diese Art verlaufenden Zellteilung unbekannt, auch wenn es verschiedene Theorien gibt die versuchen den zugrunde liegenden Mechanismus zu erklären. Allen voran steht die Theorie eines unterschiedlichen Zugangs zu Faktoren innerhalb des Dotters. Allerdings wird diese Theorie durch die Beobachtungen in verformten Embryonen wiederlegt, in denen sich die Teilungswellen von einer Seite des Embryos zur gegenüberliegenden Seite ausgebreitet haben. Somit bleibt der Mechanismus für diese Art der Zellteilung weiterhin unklar. Nicht zu vergessen ist, dass diese deformierten Embryonen eine der möglichen Konsequenzen asymmetrischer Furchung während einer frühen Zellteilung sind. Asymmetrische Teilungen treten in Medaka in einer erheblichen Anzahl von Embryonen auf und haben einen direkten Einfluss auf die gleichmäßige Verteilung des Zytoplasma. Leider war es nicht möglich die Auswirkungen einer solchen ungleichmäßigen Verteilung aufzudecken, auch wenn man davon ausgehen kann, dass ein ausreichend großes Ungleichgewicht zu unterschiedlichen Zeitpunkten der MBT-Aktivierung in verschiedenen Zellgruppen führen müsste. Ähnliche Beobachtungen wurden bereits in anderen Spezies gemacht, und es wurde vermutet, dass diese in ungleichmäßigen Zellteilungen begründet lagen. Weiterhin wurde bewiesen, dass die zygotische Transkription schon wesentlich vor dem bisher angenommenen frühesten Zeitpunkt aktiv ist. Darüber hinaus wurden Hinweise gefunden, die darauf hindeuten, dass die Transkription in Embryonen von Medaka in zwei Schritten einsetzt. Der erste Zeitpunkt ist das 16-Zellen-Stadium, in dem die ersten Zellen identifiziert wurden, die Phosphorylierung für RNAPII zeigten, und der zweite das64-Zellen Stadium, in dem der Anteil an p-RNAPII positiven Zellen signifikant anstieg. Ein schrittweiser Anstieg der Transkription wurde bereits in anderen Spezies beobachtet, auch wenn in diesen Fällen nur eine Erhöhung der mRNA-Menge festgestellt wurde, und nicht die unterschiedliche Anzahl an transkriptionell aktiven Zellen untersucht wurde.Zusammenfassend bestätigen und erweitern die hier gezeigten Daten die grundliegenden Kenntnisse über die Prozesse vor und währen der MBT, liefern darüber hinaus aber auch Anzeichen für viele Prozesse vor und während der MBT, die nur wenig oder gar nicht verstanden sind. / The study of animal development is one of the oldest disciplines in the field of biology and the collected data from countless investigations on numerous species have formed a general understanding of the animal life-cycle. Almost one century ago, one consequence of these intense investigations was the discovery of specific morphological changes that occur during the cleavage phase, a period that follows fertilization and egg activation at the very beginning of animal embryogenesis. These observations resulted into the formulation of the concept of a midblastula transition (MBT). So far, the mechanism of the nucleo-cytoplasmic ratio model is the only one that explains MBT regulation in a satisfying way. It suggests that the MBT is controlled by several maternal repressive factors in the egg, which are titrated out by every cell division until they lose their repressing potential. Although this regulatory mechanism was proven for several species and in different approaches, it is still only a rudimentary model for MBT control and leaves numerous questions unanswered. On this conceptual background, this thesis has shown that embryos from the medaka fish (Oryzias latipes) lose their cell cycle synchrony already after the fourth or fifth round of cell divisions, and replace it by a metasynchronous divisions pattern, in which cell division occurs in clear waves beginning in the embryo's center. The reason for this change in division mode is still unknown, although several hypotheses were put forward, most notable a difference in yolk-access between cells. However, this theory was weakened by division waves that progressed from one embryonic pole to the opposing one, which were occasionally observed in deformed embryos, leaving the mechanism for this phenomenon furthermore unclear. Those deformed embryos were most likely the result of asymmetric cell divisions at very early stages, a phenomenon which occurred in a significant percentage of medaka embryos and which directly influenced the equal distribution of cytoplasmic material. It could not beuncovered what kind of effects this unequal distribution of cytoplasm exerted on the progression of embryonic development, but it can be argued that relevant differences in cell volumes could result in cell clusters that will enter MBT at different time points. Comparable observations were already made in other species and it was hypothesized that they were the direct results of early unequal cell cleavages. Finally, it was demonstrated that zygotic transcription in medaka embryos is activated prior to the hitherto assumed time of the first transcriptional initiation. Moreover, indications were found that strongly speak for a transcriptional activation that occurs in two steps; a first step at the 16-cell stage when first cells were identified positive for RNAPII phosphorylation, and a second step at the 64-cell stage, when the number of p-RNAPII positive cells significantly increased. A stepwise activation of zygotic transcription was already observed in other species, but only for the overall increasing amount of mRNAs and irrespective of the actual number of transcriptionally active cells within the embryos. .. Overall, these data confirm and expand the basic knowledge of pre-MBT embryos and about the MBT itself. Furthermore, they also suggest that many early processes in pre-MBT embryos are only rudimentarily understood or still totally unknown.

During mitosis, adherent animal cells undergo a drastic shape change, from essentially flat to round, in a process known as mitotic cell rounding (MCR). The aim of this thesis was to critically examine the physical and biological basis of MCR. The experimental part of this thesis employed a combined optical microscope-atomic force microscope (AFM) setup in conjunction with flat tipless cantilevers to analyze cell mechanics, shape and volume. To this end, two AFM assays were developed: the constant force assay (CFA), which applies constant force to cells and measures the resultant height, and the constant height assay (CHA), which confines cell height and measures the resultant force. These assays were deployed to analyze the shape and mechanical properties of single cells trans-mitosis. The CFA results showed that cells progressing through mitosis could increase their height against forces as high as 50 nN, and that higher forces can delay mitosis in HeLa cells. The CHA results showed that mitotic cells confined to ~50% of their normal height can generate forces around 50-100 nN without disturbing mitotic progression. Such forces represent intracellular pressures of at least 200 Pascals and cell surface tensions of around 10 nN/µm. Using the CHA to compare mitotic cell rounding with induced cell rounding, it was observed that the intracellular pressure of mitotic cells is at least 3-fold higher than rounded interphase cells. To investigate the molecular basis of the mechanical changes inherent in mitotic cell rounding, inhibitors and toxins were used to pharmacologically dissect the role of candidate cellular processes. These results implicated the actomyosin cortex and osmolyte transporters, the most prominent of which is the Na+/H+ exchanger, in the maintenance of mechanical properties and intracellular hydrostatic pressure. Observations on blebbing cells under the cantilever supported the idea that the actomyosin cortex is required to sustain hydrostatic pressure and direct this pressure into cell shape changes. To gain further insight into the relationship between actomyosin activity and intracellular pressure, dynamic perturbation experiments were conducted. To this end, the CHA was used to evaluate the pressure and volume of mitotic cells before, during and after dynamic perturbations that included tonic shocks, influx of specific inhibitors, and exposure to pore-forming toxins. When osmotic pressure gradients were depleted, pressure and volume decreased. When the actomyosin cytoskeleton was abolished, cell volume increased while rounding pressure decreased. Conversely, stimulation of actomyosin cortex contraction triggered an increase in rounding pressure and a decrease in volume. Taken together, the dynamic perturbation results demonstrated that the actomyosin cortex contracts against an opposing intracellular pressure and that this relationship sets the surface tension, pressure and volume of the cell. The discussion section of this thesis provides a comprehensive overview of the physical basis of MCR by amalgamating the experimental results of this thesis with the literature. Additionally, the biochemal signaling pathways and proteins that drive MCR are collated and discussed. An exhaustive and unprecedented synthesis of the literature on cell rounding (approx. 750 papers as pubmed search hits on “cell rounding”, April 2012) reveals that the spread-to-round transition can be thought of in terms of a surface tension versus adhesion paradigm, and that cell rounding can be physically classified into four main modes, of which one is an MCR-like category characterized by increased actomyosin cortex tension and diminution of focal adhesions. The biochemical pathways and signaling patterns that correspond with these four rounding modes are catalogued and expounded upon in the context of the relevant physiology. This analysis reveals cell rounding as a pertinent topic that can be leveraged to yield insight into core principles of cell biophysics and tissue organization. It furthermore highlights MCR as a model problem to understand the adhesion versus cell surface tension paradigm in cells and its fundamentality to cell shape, mechanics and physiology.

During mitosis, adherent animal cells undergo a drastic shape change, from essentially flat to round, in a process known as mitotic cell rounding (MCR). The aim of this thesis was to critically examine the physical and biological basis of MCR. The experimental part of this thesis employed a combined optical microscope-atomic force microscope (AFM) setup in conjunction with flat tipless cantilevers to analyze cell mechanics, shape and volume. To this end, two AFM assays were developed: the constant force assay (CFA), which applies constant force to cells and measures the resultant height, and the constant height assay (CHA), which confines cell height and measures the resultant force. These assays were deployed to analyze the shape and mechanical properties of single cells trans-mitosis. The CFA results showed that cells progressing through mitosis could increase their height against forces as high as 50 nN, and that higher forces can delay mitosis in HeLa cells. The CHA results showed that mitotic cells confined to ~50% of their normal height can generate forces around 50-100 nN without disturbing mitotic progression. Such forces represent intracellular pressures of at least 200 Pascals and cell surface tensions of around 10 nN/µm. Using the CHA to compare mitotic cell rounding with induced cell rounding, it was observed that the intracellular pressure of mitotic cells is at least 3-fold higher than rounded interphase cells. To investigate the molecular basis of the mechanical changes inherent in mitotic cell rounding, inhibitors and toxins were used to pharmacologically dissect the role of candidate cellular processes. These results implicated the actomyosin cortex and osmolyte transporters, the most prominent of which is the Na+/H+ exchanger, in the maintenance of mechanical properties and intracellular hydrostatic pressure. Observations on blebbing cells under the cantilever supported the idea that the actomyosin cortex is required to sustain hydrostatic pressure and direct this pressure into cell shape changes. To gain further insight into the relationship between actomyosin activity and intracellular pressure, dynamic perturbation experiments were conducted. To this end, the CHA was used to evaluate the pressure and volume of mitotic cells before, during and after dynamic perturbations that included tonic shocks, influx of specific inhibitors, and exposure to pore-forming toxins. When osmotic pressure gradients were depleted, pressure and volume decreased. When the actomyosin cytoskeleton was abolished, cell volume increased while rounding pressure decreased. Conversely, stimulation of actomyosin cortex contraction triggered an increase in rounding pressure and a decrease in volume. Taken together, the dynamic perturbation results demonstrated that the actomyosin cortex contracts against an opposing intracellular pressure and that this relationship sets the surface tension, pressure and volume of the cell. The discussion section of this thesis provides a comprehensive overview of the physical basis of MCR by amalgamating the experimental results of this thesis with the literature. Additionally, the biochemal signaling pathways and proteins that drive MCR are collated and discussed. An exhaustive and unprecedented synthesis of the literature on cell rounding (approx. 750 papers as pubmed search hits on “cell rounding”, April 2012) reveals that the spread-to-round transition can be thought of in terms of a surface tension versus adhesion paradigm, and that cell rounding can be physically classified into four main modes, of which one is an MCR-like category characterized by increased actomyosin cortex tension and diminution of focal adhesions. The biochemical pathways and signaling patterns that correspond with these four rounding modes are catalogued and expounded upon in the context of the relevant physiology. This analysis reveals cell rounding as a pertinent topic that can be leveraged to yield insight into core principles of cell biophysics and tissue organization. It furthermore highlights MCR as a model problem to understand the adhesion versus cell surface tension paradigm in cells and its fundamentality to cell shape, mechanics and physiology.