Optogenetic control of actin crosslinker length reveals a mechanical basis for cortical symmetry breaking
Door een optogenetische gereedschapskist te gebruiken om de lengte van actin-crosslinkers te manipuleren, demonstreert deze studie dat de mechanische eigenschappen van de actin-cortex, specifiek de stijfheid en het stress-verstijvingsgedrag, een lengteafhankelijke schakelaar coderen die bepaalt of cellen corticale delaminatie of polarisatie en symmetriebreking ondergaan.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Elke dierlijke cel is omhuld door een dunne, dynamische huid gemaakt van een verstrengeld netwerk van eiwitdraden die actin worden genoemd. Net onder het celmembraan fungeert dit netwerk als een steiger, die de cel zijn vorm en het vermogen geeft om te bewegen, te delen of van vorm te veranderen. Om te kunnen functioneren, moet deze huid in staat zijn om te verstrakken, te versoepelen en te stromen. De motor die deze veranderingen aandrijft, is een moleculaire motor genaamd myosine, die aan de actin-draden trekt om spanning te genereren. De draden werken echter niet alleen; ze worden bij elkaar gehouden door een diverse familie van eiwitten die bekend staan als crosslinkers. Deze crosslinkers fungeren als kleine bruggen die de actinfilamenten met elkaar verbinden. De natuur heeft veel verschillende soorten van deze bruggen geëvolueerd, variërend in lengte en structuur, maar wetenschappers worstelen al lang met de vraag waarom een cel voor een specifieke lengte zou kiezen boven een andere voor een bepaalde taak. Is het louter een kwestie van hoeveel bruggen aanwezig zijn, of bepaalt de fysieke grootte van de brug zelf hoe de cel zich gedraagt?
Een team onderzoekers van het Europees Moleculair Biologie Laboratorium en andere instellingen zette zich in om deze vraag te beantwoorden door een eigen set instrumenten te bouwen waarmee ze de lengte van deze bruggen met licht konden controleren. Ze ontwierpen een synthetisch eiwit dat aan actin kan binden en, wanneer het wordt geraakt door blauw licht, aan andere kopieën van zichzelf kan hechten, waardoor het de actin-netwerken effectief crosslinkt. Om bruggen van verschillende groottes te creëren, voegden ze een stijve, modulaire spacer toe aan het eiwit. Door één eenheid van deze spacer toe te voegen, creëerden ze een korte brug; door er zeven eenheden aan toe te voegen, creëerden ze een lange brug. Vervolgens introduceerden ze deze lichtgevoelige eiwitten in muizencellen en gebruikten ze een magnetische grijper—een apparaat dat kleine magnetische kraaltjes gebruikt om het celoppervlak voorzichtig samen te knijpen—om te meten hoe de huid van de cel op kracht reageerde.
De onderzoekers ontdekten dat de lengte van de brug de mechanische eigenschappen van de celhuid fundamenteel veranderde op manieren die afhankelijk waren van de aanwezigheid van de myosine-motoren. Wanneer ze de kortste bruggen activeerden, werd de celhuid stijver, maar veranderde de dikte nauwelijks. Wanneer ze de bruggen van gemiddelde lengte activeerden, werd de huid dikker, en deze verdikking werd gedreven door een toename in de activiteit van de my sine-motoren. De langste bruggen produceerden echter een heel ander effect: ze maakten de huid aanzienlijk dikker en beter bestand tegen vervorming. Cruciaal was dat deze mechanische veranderingen niet slechts passieve reacties waren; de lengte van de brug bepaalde hoe het netwerk op stress reageerde. De kortste bruggen zorgden ervoor dat het netwerk dramatisch verstijfde wanneer het werd samengedrukt, een gedrag dat bekend staat als stress-verstijving (stress-stiffening), terwijl de langere bruggen een meer lineaire, gestage respons vertoonden.
Toen de onderzoekers de lichtgeactiveerde bruggen langer lieten werken, leidden de verschillen in lengte tot twee volkomen tegenovergestelde uitkomsten voor de cel. In cellen met de korte of middelmatige bruggen begon het actin-netwerk onder het membraan zich los te maken van het oppervlak, een proces dat delaminatie wordt genoemd. De huid stortte in essentie naar binnen en verloor de verbinding met de buitenste grens. In schril contrast hiermee, toen de lange bruggen werden geactiveerd, stortte de cel niet in. In plaats daarvan verzamelde het actin-netwerk zich in één enkele, dichte plek aan één zijde van de cel, waardoor de symmetrie van de cel werd doorbroken en er een duidelijke voorkant en achterkant ontstond. Deze polarisatie is de eerste stap die een cel zet wanneer hij besluit in een specifieke richting te bewegen.
De studie toonde aan dat de overgang tussen instorten en polariseren niet willekeurig was, maar strikt werd gecontroleerd door de lengte van de crosslinker en de activiteit van de myosine-motoren. Wanneer de onderzoekers de myosine-motoren blokkeerden met een medicijn, konden de lange bruggen de polarisatie niet langer triggeren, en bleven de cellen rond en symmetrisch. Dit bewees dat de myosine-motoren essentieel waren voor de lange bruggen om de cel te organiseren. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat ze het natuurlijke gedrag van de bruggen van gemiddelde lengte konden overrulen. Normaal gesproken veroorzaakten deze bruggen delaminatie, maar wanneer de onderzoekers de natuurlijke omzetting (turnover) van de actin-draden iets vertraagden met een medicijn, begonnen de bruggen van gemiddelde lengte plotseling polarisatie te triggeren. Dit suggereerde dat de beslissing van de cel om te bewegen of in te storten een delicaat evenwicht is tussen de fysieke architectuur van het netwerk en de snelheid waarmee de componenten worden gerecycled.
Ten slotte toonde het team aan dat deze moleculaire keuze reële gevolgen had voor de beweging van de cel. Wanneer ze cellen die door de lange bruggen gepolariseerd waren van een vaste plek loslieten, verspreidden de cellen zich en bewogen ze in een gerichte lijn, de weg volgend die door de polarisatie was vastgesteld. Cellen met de korte bruggen, die gedelamineerd waren, vertoonden deze gerichte beweging niet. De bevindingen laten zien dat de cel geen constante herprogrammering van zijn interne chemie nodig heeft om te beslissen hoe hij moet bewegen; in plaats daarvan fungeert de fysieke lengte van de eiwitbruggen in zijn huid als een ingebouwde regelaar. Door simpelweg de lengte van deze crosslinkers aan te passen, kan een cel zijn volledige mechanische staat veranderen, waarbij hij kiest tussen het versterken van zijn structuur, het instorten of het voorbereiden op een voorwaartse beweging. Dit onthult een fundamenteel principe waarbij de fysieke architectuur van een materiaal direct het gedrag van het ondersteunde levende systeem codeert.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.