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- 細(xì)胞如何使用機(jī)械張力傳感器與環(huán)境相互作用
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2022/10/26
肌動(dòng)蛋白是細(xì)胞中豐富的蛋白質(zhì)之一，它有很多工作——從賦予細(xì)胞獨(dú)特的形狀和結(jié)構(gòu)到管理對(duì)許多細(xì)胞功能至關(guān)重要的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。沒有它，脆弱的生命基本單位就會(huì)崩潰。
很多肌動(dòng)蛋白的活動(dòng)是基于機(jī)械信號(hào)。它似乎以某種方式感知來自環(huán)境的物理反饋并做出相應(yīng)的反應(yīng)。現(xiàn)在，eLife 的一項(xiàng)新研究描述了這種機(jī)械信號(hào)的工作原理。通過從字面上拉伸單個(gè)肌動(dòng)蛋白絲，研究人員確定了肌動(dòng)蛋白將細(xì)胞機(jī)械信息傳遞給其他蛋白質(zhì)的過程。由于數(shù)百種不同的蛋白質(zhì)與肌動(dòng)蛋白絲結(jié)合，這一發(fā)現(xiàn)的意義深遠(yuǎn)，并可能最終解釋細(xì)胞如何機(jī)械控制運(yùn)動(dòng)——包括心肌細(xì)胞如何收縮或運(yùn)動(dòng)細(xì)胞如何運(yùn)動(dòng)。
“肌動(dòng)蛋白絲可能是細(xì)胞中微小的彈性張力傳感器的想法已經(jīng)在文獻(xiàn)中流傳了一段時(shí)間，但我認(rèn)為我們?cè)谶@里確實(shí)證明了這一點(diǎn)，”助理教授兼實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Gregory M. Alushin 說結(jié)構(gòu)生物物理學(xué)和機(jī)械生物學(xué)。“我們現(xiàn)在才剛剛開始了解細(xì)胞中機(jī)械信號(hào)的細(xì)微差別。”
細(xì)胞的生命周期與化學(xué)信號(hào)密切相關(guān)，在化學(xué)信號(hào)中，經(jīng)過充分研究的配體和受體網(wǎng)絡(luò)向細(xì)胞提供信息，并確定它是否生長、分裂、遷移或死亡。但物理力也通過一種完全不同的現(xiàn)象將關(guān)鍵信號(hào)傳遞給細(xì)胞，在這種現(xiàn)象中分子相互推拉，不斷地聚集在一起并解離。
雖然幾十年的研究已經(jīng)闡明了化學(xué)信號(hào)過程，但對(duì)機(jī)械信號(hào)的細(xì)節(jié)仍然知之甚少。例如，很明顯，當(dāng)一個(gè)細(xì)胞附著在培養(yǎng)皿底部或與相鄰細(xì)胞接觸時(shí)，它與周圍環(huán)境的相互作用是由肌動(dòng)蛋白驅(qū)動(dòng)的，肌動(dòng)蛋白與細(xì)胞外緣的所謂粘附蛋白結(jié)合。
但仍不清楚細(xì)胞如何將機(jī)械信號(hào)從其環(huán)境傳遞給肌動(dòng)蛋白，以及肌動(dòng)蛋白如何將該信號(hào)傳遞給召喚粘附蛋白或?qū)⑺鼈兺崎_。
“我們已經(jīng)了解肌動(dòng)蛋白結(jié)合粘附蛋白很多年了，”洛克菲勒化學(xué)生物學(xué)研究生林梅說。“但在我們的研究之前，沒有研究證明拉伸肌動(dòng)蛋白會(huì)向能夠感知這種機(jī)械力的蛋白質(zhì)傳遞機(jī)械信號(hào)。”
“軟盤尾”接收傳輸
為了進(jìn)一步調(diào)查，Alushin 和 Mei 拉伸了肌動(dòng)蛋白——從字面上看。
與洛克菲勒的劉世新合作，研究人員承擔(dān)了一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，將一根大約為人類頭發(fā)寬度的 1/15,000 的肌動(dòng)蛋白絲懸吊在兩個(gè)固定細(xì)絲兩端的微型珠子之間。然后，他們將細(xì)絲暴露于一種稱為 α-連環(huán)蛋白的粘附蛋白中，并使用一種稱為激光鑷子的創(chuàng)新技術(shù)來拉動(dòng)肌動(dòng)蛋白，使其足以模擬它在細(xì)胞中可能經(jīng)歷的微小張力。
他們觀察到肌動(dòng)蛋白在拉動(dòng)α-連環(huán)蛋白時(shí)與它的結(jié)合更好，這意味著肌動(dòng)蛋白正在向α-連環(huán)蛋白傳遞機(jī)械信號(hào)，而α-連環(huán)蛋白具有接收該信號(hào)的能力。
但是一種類似的粘附蛋白紐蛋白被證明是信號(hào)失聰?shù)摹Ｔ谙冗M(jìn)的電子顯微鏡技術(shù)的幫助下，研究人員找到了 α-catenin 和 vinculin 之間的關(guān)鍵區(qū)別。“α-連環(huán)蛋白中有一種肽，一種松軟的小尾巴，只有當(dāng)它直接與肌動(dòng)蛋白結(jié)合時(shí)才會(huì)部分折疊，”Alushin 說。“這兩種蛋白質(zhì)的所有其他部分基本相同。”
他和他的同事懷疑肌動(dòng)蛋白正在傳遞一個(gè)非常好的機(jī)械信號(hào)，但只有 α-連環(huán)蛋白的松軟尾巴準(zhǔn)備好接收它。Vinculin 失去了松軟的尾巴，只是錯(cuò)過了肌動(dòng)蛋白的呼叫。為了驗(yàn)證這一理論，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種移植了 α-連環(huán)蛋白尾巴的 vinculin 版本——當(dāng)肌動(dòng)蛋白被拉伸時(shí)，松軟的 vinculin 開始更好地結(jié)合。肌動(dòng)蛋白是信號(hào)傳遞者；軟盤尾，接收器。
Alushin 指出，雖然 α-連環(huán)蛋白及其松散的尾巴最終可能成為臨床治療的一個(gè)有吸引力的目標(biāo)，但新發(fā)現(xiàn)首先是對(duì)新興的機(jī)械生物學(xué)領(lǐng)域的一次妙招，該領(lǐng)域研究機(jī)械力如何在細(xì)胞水平上驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵過程. “我們知道 α-連環(huán)蛋白對(duì)大腦發(fā)育至關(guān)重要，并且經(jīng)常在癌癥中發(fā)生突變，但我們所知道的大部分是，如果你擺脫它，細(xì)胞中的其他一切都會(huì)破壞，”他說。“通過定義 α-連環(huán)蛋白中的力檢測(cè)器，我們將使研究人員能夠準(zhǔn)確了解其在機(jī)械信號(hào)中的功能。”
“我們懷疑還有數(shù)百種其他蛋白質(zhì)可以直接感知肌動(dòng)蛋白傳遞的力，”梅補(bǔ)充道。“我們的工作為開始尋找所有其他力敏感蛋白提供了基礎(chǔ)和分子細(xì)節(jié)。”
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