Hvordan holder muskel- og seneforbindelser hele livet?

Muskler er forbundet med sener for at drive dyrs bevægelser såsom løb, svømning eller flyvning. Kræfter produceres af kontraktile kæder af proteinerne actin og myosin, som trækker på muskel-seneforbindelser kaldet vedhæftede filer. Under dyrenes udvikling, disse muskel-sene-tilhæftninger skal etableres således, at de modstår høje mekaniske kræfter i hele dyrets liv. Et tværfagligt team af forskere fra Marseille (Frankrig), München og Münster (begge Tyskland) har nu været i stand til at kvantificere de mekaniske kræfter, der overføres af et nøglebindingsprotein kaldet Talin.

Forskerne brugte flyvemusklerne fra frugtfluen Drosophila til disse molekylære kraftmålinger og fandt ud af, at en overraskende lille del af Talin-molekyler oplever påviselige kræfter ved at udvikle muskel-senetilhæftninger. De fandt også ud af, at muskler håndterer de stigende vævskræfter ved at rekruttere et stort antal Talin-molekyler til vedhæftninger. Denne måde, mange Talin-molekyler kan dynamisk dele de høje spidskræfter, der produceres under muskelsammentrækninger, for eksempel under flyvning. "Dette mekaniske tilpasningskoncept sikrer, at muskel-seneforbindelser kan holde hele livet, siger Sandra Lemke, en ph.d. studerende i biologi ved Max Planck Institute of Biochemistry, der udførte de fleste forsøg. Undersøgelsen blev ledet af Dr. Frank Schnorrer fra Developmental Biology Institute ved Aix-Marseille University og prof. Dr. Carsten Grashoff ved University of Münster. Disse nye resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet PLOS biologi .

Integrin-baserede adhæsioner er vigtige kraftfølende strukturer af dyreceller til at føle og modstå mekaniske kræfter. Integrinreceptorer er en vigtig komponent i sådanne strukturer, der sidder på celleoverfladen og undersøger miljøet uden for cellen og binder til den ene ende af Talin inde i cellen. Den anden ende af Talin binder sig til det kontraktile actin-myosin cytoskelet, så Talin er det perfekte sted at behandle molekylære kræfter. Forskerne indsatte derfor en fluorescerende kraftsensor i proteinet talin for at undersøge molekylære kræfter ved hjælp af mikroskopimetoder.

Tidligere undersøgelser fra forskergruppen ledet af Carsten Grashoff ved Institut for Molekylær Cellebiologi ved Münster Universitet havde allerede vist, at 70 procent af alle Talin-molekyler udsættes for høje kræfter i såkaldte fokale adhæsioner, når celler placeres på hård plast eller glasunderlag i laboratoriet. Derfor, resultaterne af denne nye undersøgelse er meget overraskende:Mindre end 15 procent af Talin-molekylerne "følte" målbare kræfter ved at udvikle muskeltilknytninger i en intakt organisme. Det er vigtigt at vide, at en muskel forbundet med seneceller er i et meget blødere miljø sammenlignet med celler i en hård plastikskål i laboratoriet. Endnu, udviklende muskler skal forudse høje kræfter genereret under muskelsammentrækninger i fremtiden hos den voksne flue. For at forberede sig på det, muskler rekrutterer mange Talin- og Integrin-molekyler i deres celleadhæsioner.

Forskerne reducerede antallet af talinmolekyler til stede i flyvemusklerne på frugtfluer ved hjælp af molekylærgenetiske metoder. Fluerne var stadig i stand til at overleve efter indgrebet, men deres muskel-seneforbindelser bristede under de første flyveforsøg, så fluerne var ikke længere i stand til at flyve. Disse resultater viser, at forbindelser mellem celler dynamisk skal tilpasse sig behovene i hvert væv for at sikre livslang funktion. I fremtiden, det bliver spændende at undersøge, hvordan mekaniske signaler opnår rekruttering af det korrekte antal molekyler til den passende placering i cellerne.