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今日《Nature Materials》: 水凝胶微图案,探寻细胞应力产生的秘密!-岩拓气凝胶

今日《Nature Materials》: 水凝胶微图案,探寻细胞应力产生的秘密!

收缩力主要来自于贴壁细胞中肌动球蛋白束和应力纤维或是非贴壁细胞中的皮质网络。多项证据表明,肌动蛋白丝束与网络中的其他部分能够形成相互连接且可相互转换的结构。目前,在整个细胞内调节局部力的产生和传递的机制仍然有待探索。然而,受到技术限制,想要在操纵整个网络的同时在整个细胞水平上测量对力产生的影响依旧困难重重。

应力纤维(stress fiber)是真核细胞中广泛存在的微丝束结构,它主要由两种类型的肌动蛋白纤维,周向弧状纤维(transverse arc)和径向纤维(radial fiber)相互作用与融合而成。因此,肌动球蛋白网络由内部互连的伸缩单元组成,这些单元横跨整个细胞质,并在细胞内长距离传输机械力。实验表明,沿着特定肌动球蛋白束的定向力能够传播到互连的其他束中。因此应力纤维中的张力不仅取决于在该纤维中产生的力,而且还取决于相邻纤维的连接和取向。肌动球蛋白束之间的这种高度互连可以在细胞水平上提供机械连贯性。但是,目前尚不清楚力是如何在应力纤维之间传递的。

近日,法国Grenoble-Alpes大学的Manuel Théry、Laetitia Kurzawa和Paris Diderot大学的Manuel Théry合作,通过结合使用水凝胶微图案,牵引力显微镜和激光烧蚀等技术,测量了响应局部光烧蚀的牵引力松弛,探讨了这些互连对整个细胞中牵引力产生和分布的机械影响。实验结果和建模数据表明,丝束完全嵌入到皮质细丝的连续可收缩网络中。而且,这些束的收缩在整个细胞中的传播依赖于这种嵌入模式。此外,这些丝束似乎是来自周围网络中薄而未连接的皮质肌动蛋白丝的排列和聚结。该研究以题为“Stress fibres are embedded in a contractile cortical network”的论文发表在最新一期的《Nature Materials》上。

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【应力纤维提供高收缩力】

作者将细胞涂聚丙烯酰胺水凝胶上制成的哑铃形或药丸形微图案上,来探究肌动蛋白束的存在是否会影响牵引力的大小和分布。哑铃形的微图案能够促进细胞中两种应力纤维的组装,而药丸形的微图案能够促进更加均匀的肌动蛋白细丝网络的形成(图1a,b)。使用牵引力显微镜测量二者产生的收缩力。结果显示,包含应力纤维(哑铃形微图案)的细胞所产生的机械能比不含应力纤维的细胞(药丸形微图案)产生的机械能高得多(图1c,d )。这意味着应力纤维对细胞产生和传递力的大小起着主要作用。

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图1 应力纤维对细胞牵引力大小的影响

通过局部脉冲激光烧蚀将应力纤维切断了一半,并通过在水凝胶基底来捕获纤维中张力的释放(图1e)。 实验结果表明一条纤维释放出的能量约为细胞产生的总机械能的25%(图1e,f),远低于预期的50%,意味着细胞总机械能并不是应力纤维能量的简单相加。

【应力纤维与周围肌动蛋白网络互连】

进一步的研究发现,这些应力纤维不是孤立的,而是相互连接的可伸缩单元。当应力纤维被切断时,这些单元会抵抗这种变形(图2a-c)。

重要的是,与传统的应力纤维仅拉动局部粘连的观点相反,应力纤维与邻近肌动蛋白细胞骨架元素的连接表明在纤维被激光切断后,纤维的张力被重新分配到周围的网络中。因此,被切断的纤维的其余部分仍然处于张力之下(图2d,e)。

研究表明,外围应力纤维与内部其他纤维的分离连接会影响纤维在切断后的松弛图案。然而,作者观察到的切断的外周应力纤维的不完全松弛图案与内部纤维的相互连接并没有系统的联系。基于此,作者提出假设:应力纤维被连接到了低密度且广泛的肌动蛋白网络中(图2f-h)。

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图2 应力纤维被连接到周围肌动蛋白网络中

【对嵌入弹性网络中的应力纤维建模】

为了研究这种嵌入在皮质网络中的肌动蛋白纤维网络的性质,作者创建了一个新的生物物理模型。在这个模型中,应力纤维并没有连接到细胞外基质,而是连接到相邻的皮层网(图3a)。

模型还准确地解释了从模拟激光烧蚀部位远端纤维收缩的情况(图3c)。并捕获了同一根纤维二次激光切断后额外的能量释放(图3d)。

在实验中,应力纤维被切断后两个部分的张力释放上是不相等的。相比之下,一个孤立的应力纤维却会释放等量的两端张力。这表明,皮层网不仅影响牵引力的大小,而且影响牵引力产生的空间分布(图3e)。由于模型的预测与实验测量的另一半细胞在纤维光烧蚀后牵引力损失之间存在着差异(图3f,g),作者决定进一步研究皮层网状结构的机械性质。

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图3弹性网络中的应力纤维模型

【模型修改,皮质网也是可收缩的】

与外围应力纤维的烧蚀相比,皮质网的局部烧蚀并没有释放可观的能量。然而,应力纤维的消除(即皮质网的纵向光烧蚀),却导致了收缩能量的显著释放(图4a,b)。这意味着皮层网络积极地参与了牵引力的产生。

基于此作者对初始的模型进行了修改,将收缩性作为皮质网的一个函数(图4c),实现了理论模型与实验观察更加吻合,验证了应力纤维和皮质网络都是弹性可收缩的假设。因此,应力纤维和皮层网络可能并不是离散互连的不同网络,而是单个集成网络的一部分,其中肌动球蛋白阵列的结构和力学在空间上是不同的。

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图4 皮质收缩网络

【皮质网与应力纤维形成了连续体】

进一步的研究显示,应力纤维通过多条纤维连接到覆盖在质膜上的网状结构中(图5a),并不是一个孤立结构,但是与胞质网状组织形成了连续结构(图5b)。随机光学重建显微镜下,可以看到应力纤维完全缠绕在皮质网络中,而不是两个截然不同的相互叠加的网络(图5c,d)。此外,尽管应力纤维和皮质网络的结构不同,但是他们共享几个参与收缩调节的关键分子(图5e)。

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图5 应力纤维完全嵌入到周围的肌动蛋白皮质中

实时成像技术显示,尽管细胞没有移动,但是肌动蛋白网络显示出永久性的重组,证实了之前提出的细胞质束可以与外围纤维融合或分离这一假设(图6a)。有趣的是,在束密度较低的区域,能够在皮质网中观察到新束的形成(图6c)。这种侧向扩张和伸展进一步支持了与相邻皮层网的收缩性相关的侧向力的存在。

束的扩展和合并有时会导致准连续结构的形成,在这种结构中,几乎无法将单个束区分开来(图6e)。这表明,应力纤维不仅与皮层网相连接,而且可能源于皮层中纤维的结合,这一组装过程进一步解释了它们完全嵌入这个网的原因(图6f)。

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图6 胞质束在皮质网中的出现与迁移

总结:作者揭示了细胞内力的产生与传递机制,证明了应力纤维完全嵌入到收缩的皮层肌动蛋白网络中,而不是独立的或是与其他应力纤维有离散互连结构。这种应力纤维和皮质细丝的网状结构形成了一个机械连续体。由应力纤维产生的收缩力不仅表现在应力纤维锚点上,而且还通过皮质网络传播到整个细胞。此外,作者还证明了皮质网的收缩积极地促进了牵引力传递到局部粘连,从而影响了细胞收缩能量的总体大小。

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00825-z

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