Optogenetic control of actin crosslinker length reveals a mechanical basis for cortical symmetry breaking
Impiegando un toolkit optogenetico per manipolare la lunghezza dei crosslinker dell'actina, questo studio dimostra che le proprietà meccaniche della corteccia di actina, specificamente la sua rigidità e il suo comportamento di stress-stiffening, codificano uno switch dipendente dalla lunghezza che determina se le cellule subiscano delaminazione corticale o polarizzazione e rottura della simmetria.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Ogni cellula animale è avvolta da una sottile e dinamica pelle fatta di una rete aggrovigliata di filamenti proteici chiamati actina. Appena sotto la superficie della membrana cellulare, questa rete funge da impalcatura, conferendo alla cellula la sua forma e la capacità di muoversi, dividersi o cambiare forma. Per funzionare, questa pelle deve essere in grado di restringersi, allentarsi e fluire. Il motore che guida questi cambiamenti è un motore molecolare chiamato miosina, che tira i filamenti di actina per generare tensione. Tuttavia, i filamenti non lavorano da soli; sono tenuti insieme da una diversificata famiglia di proteine note come crosslinker (proteine di reticolazione). Questi crosslinker agiscono come minuscoli ponti, connettendo i filamenti di actina tra loro. La natura ha evoluto molti tipi diversi di questi ponti, variando in lunghezza e struttura, ma gli scienziati hanno a lungo lottato per capire perché una cellula scelga una specifica lunghezza rispetto a un'altra per un particolare compito. È solo una questione di quanti ponti sono presenti, o è la dimensione fisica del ponte stesso a dettare il comportamento della cellula?
Un team di ricercatori del Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare e di altre istituzioni si è posto l'obiettivo di rispondere a questa domanda costruendo un set personalizzato di strumenti che permettevano di controllare la lunghezza di questi ponti tramite la luce. Hanno ingegnerizzato una proteina sintetica che poteva legarsi all'actina e che, colpita dalla luce blu, si attaccava ad altre copie di se stessa, creando di fatto una reticolazione della rete di actina. Per creare ponti di diverse dimensioni, hanno inserito uno spaziatore rigido e modulare nella proteina. Aggiungendo un'unità di questo spaziatore, hanno creato un ponte corto; aggiungendone sette, ne hanno creato uno lungo. Hanno poi introdotto queste proteine fotosensibili in cellule di topo e hanno utilizzato una pinza magnetica — un dispositivo che usa minuscole sfere magnetiche per stringere delicatamente la superficie cellulare — per misurare come la pelle della cellula rispondesse alla forza.
I ricercatori hanno scoperto che la lunghezza del ponte cambiava fondamentalmente le proprietà meccaniche della pelle cellulare in modi che dipendevano dalla presenza dei motori di miosina. Quando hanno attivato i ponti più corti, la pelle cellulare è diventata più rigida ma non è cambiata molto in spessore. Quando hanno attivato i ponti di media lunghezza, la pelle è diventata più spessa, e questo ispessimento era guidato da un aumento dell'attività dei motori di miosina. I ponti più lunghi, tuttavia, hanno prodotto un effetto completamente diverso: hanno reso la pelle significativamente più spessa e resistente alla deformazione. Fondamentalmente, questi cambiamenti meccanici non erano solo risposte passive; la lunghezza del ponte determinava il modo in cui la rete reagiva allo stress. I ponti più corti causavano un irrigidimento drammatico della rete quando veniva compressa, un comportamento noto come irrigidimento da stress (stress-stiffening), mentre i ponti più lunghi mostravano una risposta più lineare e costante.
Quando i ricercatori hanno lasciato che i ponti attivati dalla luce operassero per periodi più lunghi, le differenze di lunghezza hanno portato a due esiti completamente opposti per la cellula. Nelle cellule con i ponti corti o di media lunghezza, la rete di actina sotto la membrana ha iniziato a distaccarsi dalla superficie, un processo chiamato delaminazione. La pelle è essenzialmente collassata verso l'interno, perdendo la connessione con il confine esterno. Al contrario, quando sono stati attivati i ponti lunghi, la cellula non è collassata. Inveve, la rete di actina si è radunata in un unico punto denso su un lato della cellula, rompendo la simmetria cellulare e creando un fronte e un retro ben definiti. Questa polarizzazione è il primo passo che una cellula compie quando decide di muoversi in una direzione specifica.
Lo studio ha rivelato che questo passaggio tra collasso e polarizzazione non era casuale ma era strettamente controllato dalla lunghezza del crosslinker e dall'attività della miosina. Quando i ricercatori hanno bloccato i motori di miosina con un farmaco, i ponti lunghi non sono più stati in grado di innescare la polarizzazione e le cellule sono rimaste rotonde e simmetriche. Ciò ha dimostrato che i motori di miosina sono essenziali affinché i ponti lunghi organizzino la cellula. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto di poter sovrascrivere il comportamento naturale dei ponti di media lunghezza. Normalmente, questi ponti causavano la delaminazione della cellula, ma quando i ricercatori hanno leggermente rallentato il turnover naturale dei filamenti di actina usando un farmaco, i ponti di media lunghezza hanno improvvisamente iniziato a innescare la polarizzazione. Ciò ha suggerito che la decisione della cellula di muoversi o collassare è un delicato equilibrio tra l'architettura fisica della rete e la velocità con cui i suoi componenti vengono riciclati.
Infine, il team ha dimostrato che questa scelta molecolare ha conseguenze reali sul movimento della cellula. Quando hanno rilasciato le cellule che erano state polarizzate dai ponti lunghi da un punto fisso, queste si sono espanse e si sono mosse in una linea diretta, seguendo il percorso stabilito dalla polarizzazione. Le cellule con i ponti corti, che avevano subito la delaminazione, non hanno mostrato questo movimento direzionato. Le scoperte dimostrano che la cellula non ha bisogno di riprogrammare costantemente la sua chimica interna per decidere come muoversi; invece, la lunghezza fisica dei ponti proteici nella sua pelle agisce come un cursore integrato. Semplicemente regolando la lunghezza di questi crosslinker, una cellula può cambiare il suo intero stato meccanico, scegliendo tra il rinforzare la propria struttura, il collassare o il prepararsi a muoversi in avanti. Ciò rivela un principio fondamentale in cui l'architettura fisica di un materiale codifica direttamente il comportamento del sistema vivente che sostiene.
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