Onderzoekers van het Mechanobiology Institute (MBI) van de National University of Singapore hebben een nieuwe methode ontwikkeld, met behulp van superresolutiemicroscopie, om de lengte van uitgerekte eiwitten in levende cellen te bepalen, en monitor de dynamische binding van eiwitten, op tijdschalen van minder dan een seconde. Deze studie is gepubliceerd in Nano-letters in mei 2016.

Cellen worden voortdurend blootgesteld aan mechanische krachten. Deze signalen beïnvloeden de cellulaire besluitvorming door informatie te verstrekken die cellen nodig hebben om te bepalen hoeveel van een bepaald eiwit ze moeten produceren, wanneer een specifiek gen tot expressie moet worden gebracht, of zelfs of een cel moet bewegen of blijven waar hij is. Dergelijke informatie is cruciaal, bijvoorbeeld, bij het in stand houden van de gezondheid, integriteit en herstel van weefsels naarmate we ouder worden. Een duidelijk voorbeeld van wanneer cellen worden blootgesteld aan krachten is wanneer we lopen. Rek- of trekkrachten worden gegenereerd in onze spieren, en deze worden door de spier naar bindweefsel en bot geleid. Hoewel deze informatie op weefselniveau wordt gegenereerd, het convergeert naar afzonderlijke cellen in die weefsels, en wordt gedetecteerd en gemeten door subcellulaire, eiwit gebaseerd, machines.

Om de krachten te meten die op een cel worden uitgeoefend, gespecialiseerde eiwitten kunnen worden vervormd. Een veel voorkomende manier waarop dit gebeurt, is wanneer een eiwit wordt uitgerekt, net zoals hoe een elastische band uitrekt wanneer deze wordt blootgesteld aan trekkrachten. Het uitrekken van eiwitten kan gebieden binnen hen blootleggen die anders verborgen zijn. Deze regio's kunnen dienen als aanlegplaatsen voor de aanhechting van andere eiwitten. Dit leidt tot een sneeuwbaleffect, waarin steeds meer eiwitten kunnen binden, en grotere moleculaire complexen of machines worden gevormd om een ​​specifieke cellulaire functie te bemiddelen. Dit fenomeen is onlangs onderzocht door MBI Director, Professor Michael Sheetz, Senior Research Fellow dr. Felix Margadant en promovendus mevrouw Xian Hu (Edna), in werk gericht op het karakteriseren van het uitrekken van een krachtgevoelig eiwit dat bekend staat als talin, en het vaststellen van het effect dat het heeft op de binding van een ander eiwit, vinculine genaamd.

Hoewel verschillende onderzoeken de krachtgeïnduceerde rekking van talin en talin-vinculinebinding in vitro hebben aangetoond, gelijktijdige visualisatie van beide gebeurtenissen en hun correlatie met specifieke cellulaire functies was voorheen niet mogelijk in levende cellen vanwege de snelle tijdschalen waarop ze plaatsvinden. Ook, het uitvoeren van meerkleurenbeeldvorming met superresolutie in levende cellen is nog steeds erg moeilijk. Om deze uitdagingen te overwinnen, Prof Sheetz en mevrouw Hu ontwikkelden een roman, en zeer geavanceerde beeldvormingsmethode met superresolutie, waardoor ze tegelijkertijd de lengte van talin in levende cellen konden volgen, evenals de dynamiek van vinculinebinding, op enkel molecuulniveau en milliseconde tijdschaal.

Door verschillende fluorescerende moleculen (GFP en mCherry) aan elkaar te hechten, aan elk uiteinde van de talin en een derde fluorofoor (Atto655) aan vinculine, de onderzoekers konden de precieze subcellulaire locatie van elk eiwit volgen, en bevestig dat toen talin werd uitgerekt, vinculine gebonden aan nieuw blootgestelde plaatsen. interessant, hun bevindingen onthulden vaak geclusterde binding, met vijf of meer vinculine-moleculen die in één seconde aan talin binden. Bovendien, de binding van de eerste paar vinculinen leek energetisch de opeenvolgende binding van meer vinculine-moleculen te bevorderen. Het correleren van de vinculinebindingsdynamiek met de hoeveelheid talinuitrekking, de onderzoekers merkten op dat maximale vinculinebinding plaatsvond aan één specifiek uiteinde van talin (het N-terminale gebied), wanneer talin werd uitgerekt tot ongeveer 180 nm.

Begrijpen hoe talin en vinculine reageren op rekkrachten is cruciaal om te begrijpen hoe cellen reageren op krachten in ons lichaam. In dit geval, beide eiwitten worden gevonden in grotere moleculaire machines die focale adhesies worden genoemd, die het inwendige van een cel fysiek verbinden met het materiaal dat de cel omringt, de extracellulaire matrix. Focale adhesies fungeren voornamelijk als signaaloverdrachtcentra, en de informatie die ze overbrengen, kan celgroei en celbeweging induceren. Wanneer deze signaalverwerking wordt verstoord, of is niet gereguleerd, ziektetoestanden ontstaan ​​en het vermogen van het lichaam om wonden te genezen, of de integriteit van het weefsel behouden naarmate we ouder worden.

Hoewel het belangrijk is om deze bredere cellulaire en weefselprocessen te vergemakkelijken, de talin-vinculine-interactie is slechts een van de vele eiwitinteracties om op geweld te reageren. Het is te hopen dat deze nieuw beschreven methode de weg vrijmaakt voor onderzoekers om andere eiwitinteracties te ontleden, zowel binnen focale verklevingen, en in andere moleculaire machines, om ons begrip te verbeteren van de vele door kracht aangedreven cellulaire processen die ontstaan ​​tijdens de ontwikkeling en doorgaan tot aan het ouder worden.