Forankret af et tæt kvarter:Hvad forhindrer celler i at komme på afveje

Proteinerne, der udgør den ekstracellulære matrix, der omgiver en celle, findes som fibre. Hvordan afstanden mellem disse matrixproteinfibre påvirker klynge af celleoverfladereceptorernes integriner, og hvordan dette påvirker dannelsen af ​​integrin-medierede cellematrixadhæsioner og efterfølgende cellespredning var fokus for en nylig undersøgelse ledet af Dr. Rishita Changede, Seniorforsker ved Mechanobiology Institute, National University of Singapore. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturmaterialer .

Afstand mellem matrixfibre påvirker integrinklyngning og adhæsionsdannelse

Forestil dig at krydse en å ved at bruge sten, der er strøet ud over den som fodfæste. Om du er i stand til at komme igennem, afhænger ikke kun af, hvor mange sten der er, men hovedsagelig også om, hvordan disse klipper er placeret langs åen. Hvis dit næste fodfæste endda er lidt for langt væk, at krydse denne strøm kan blive vanskelig, eller nogle gange, umulig.

Det samme gælder celler i vores krop, som de forsøger at fæstne til overflader, kaldet matrixen, under dem. Visse 'receptorer' på det yderste lag af cellen, hovedsageligt medlemmer af integrinfamilien af ​​proteiner, fysisk interagerer med partnerens 'ligand' -proteiner til stede i matricen, såsom kollagen og fibronectin. Cellen bruger dybest set disse forbindelser som fodfæste til at sprede sig og bevæge sig over matricen eller til at fornemme matrixegenskaber. Ligner stenene i vores strøm analogi, 'cellulære fodfæste' skal placeres optimalt i matricen for at fremme celleadhæsion og normal cellulær funktion.

Oprettelse af forskellige ligandgeometrier

Inden for væv, de fleste ligandproteiner er arrangeret som fibre i matricen, i forskellige konfigurationer og densiteter. Betydningen af ​​ligandgeometri-det specifikke arrangement af ligandfibre-for at fremme dannelsen og efterfølgende stabilisering af cellematrixforbindelser var genstand for undersøgelse af en nylig undersøgelse foretaget i Sheetz Lab på Mechanobiology Institute (MBI), National University of Singapore.

Ledet af MBI Senior Research Fellow Dr. og involverer forskere fra Columbia University, OS., undersøgelsen anvendte en teknik kaldet elektronstråle litografi til at tegne brugerdefinerede, nanoserede mønstre (lavet af titan- eller guld-palladiumlinjer) på kunstige overflader for at efterligne ligandgeometrier, der findes i levende væv.

Forskerne skabte enten endimensionale (1-D) eller to-dimensionelle (2-D) nanopatter. 1-D mønstre inkluderet enkeltlinjer, der henviser til, at 2-D-mønstre inkluderede parrede linjer (med 50 eller 80 nm mellemrum), krydser linjer (skærer hinanden i en 25 graders vinkel), og sekskantede prikkemønstre (prikker med 40 nm mellem hinanden). Efter mønstring, nanolinjerne blev belagt med ligandproteiner, og forskergruppen observerede og målte mikroskopisk, hvordan bindevævsceller kendt som fibroblaster voksede på forskellige geometrier.

Integrin-engagement på 1D- og 2-D-mønstre

Tidligere arbejde af Dr. Changede viste, at så få som fire integrinmolekyler kommer sammen for at danne klynger, der typisk er 110 nm i størrelse. Disse spirende integrinklynger fungerer som grundlæggende moduler, der initierer celleinteraktion med ligander for at danne større celle-matrixforbindelser. Derfor, forskerne teoretiserede, at kun de nanopatter, hvor liganderne er adskilt fra hinanden med mindre end 110 nm, tillader stabilt integrin -engagement og efterfølgende cellespredning.

Ligandgeometri som den kritiske faktor for cellespredning

I overensstemmelse med dette, forskerne bemærkede forskelle i omfanget af integrinklyngens engagement og cellespredning, baseret på ligandgeometrien på hver af disse nanopatter:1D enkelt linjer, der var adskilt 250 nm eller 500 nm fra hinanden, understøttede ikke integrinklyngens engagement og cellespredning; imidlertid, når linjerne var adskilt 160 nm fra hinanden (lidt mere end integrinklyngestørrelsen), et par forbindelser blev dannet, og cellerne kunne i et vist omfang sprede sig. På den anden side, 2-D mønstre, herunder parrede og krydsende linjer og sekskantede prikker, understøttet betydeligt integrin -klyngeengagement og cellespredning.

Især et sådant højere integrinklusterengagement og cellespredning forekom på 2-D-mønstre på trods af at ligandtætheden (antal ligander i et givet område) undertiden var højere på 1D-enkeltlinjer end på 2-D-mønster, såsom sekskantede prikker. Denne observation bekræftede en mere væsentlig rolle for ligandgeometri over ligandtæthed ved at kontrollere dannelsen af ​​celle-matrixforbindelser og fremme cellulære funktioner såsom dens spredning og bevægelse langs væv.

Celle-matrixforbindelser vides at være de primære steder for mekanotransduktion (relæet af mekaniske signaler) mellem en celle og dens omgivelser; de udøver trækkræfter på den underliggende matrix, ved hjælp af dem til at teste matrixens mekaniske egenskaber. Disse oplysninger videresendes derefter internt gennem proteinkomplekser, der er blevet rekrutteret ved forbindelserne, for at gennemføre forskellige ændringer i en celle.

I den fibrøse matrix -indstilling, der omgiver celler i et væv, hvordan disse ligandfibre er anbragt i afstand i forhold til hinanden er af største betydning for at bestemme, hvordan mekanotransduktionshændelser medieres. Når fibrene er for tæt eller for langt, integrinerne er ude af stand til at engagere sig stabilt og starte dannelsen af ​​cellematrixforbindelser. Som resultat, mekanotransduktionsveje går galt, hvilket fører til uregelmæssige cellulære reaktioner, der kan påvirke vævets samlede integritet. Ved at henlede opmærksomheden på betydningen af ​​ligandgeometri i dannelsen af ​​integrinafhængige forbindelser, denne undersøgelse tilføjer yderligere detaljer til de molekylære mekanismer, der styrer kraftmægling gennem celle-matrixforbindelser, og dens indvirkning på cellespredning og bevægelse.