Talin är ett protein som kontrollerar cellulär vidhäftning och rörelse, men dess funktionsfel tillåter också cancerceller att spridas. DCL1 är ett tumörhämmande protein. Men forskarna förstår inte fullt ut hur antingen protein fungerar - eller vad som händer när de inte fungerar som de borde.

En sak vet forskarna:När det finns i en cell kan DCL1 interagera med talin och kanske störa talins förmåga att gruppera celler tillsammans. Om forskarna visste de exakta stegen i processen, kanske de kan identifiera ett behandlingsalternativ för att förhindra att cancer sprider sig.

För att hitta svar använde ett team av forskare från University of Wisconsin-Milwaukee ett unikt verktyg som de byggde för att applicera de exakta mekaniska krafterna som verkar på talin i kroppen, och startade en process som kallas proteinutveckling som är nödvändig för att proteinet ska kunna utföra dess funktion.

Med verktyget, som kallas "single molecule magnetic pincet", mätte forskarna intracellulära mekaniska krafter och experimenterade med dem i labbet så att de kan hitta vad som händer med talin när DCL1 både finns och inte finns i cellen.

De har upptäckt ett unikt beteende hos talin, inducerat av mekaniska krafter, som visar en stark interaktion som kan förklara antitumöreffekten av DLC1 när de två proteinerna binder.

"Vi vet fortfarande inte exakt vad som går fel med talinfunktion när cancerceller metastaserar", säger Ionel Popa, en fysikprofessor i UWM som ledde laget. "Men det ser ut som att talin spelar en roll för att aktivera spridningen av celler när den tumörhämmande DCL1 saknas. Och när DCL1 binder till talin verkar det blockera talin från att aktivera cellspridning."

Verket publiceras idag i tidskriften Science Advances .

Liksom alla proteiner bildar talin en specifik tredimensionell form som definierar dess funktion. Känd som proteinveckning är det en av de mest komplexa processerna i naturen och när vikning går snett leder det ofta till sjukdomar. Popas labb undersöker krafter som påverkar proteinveckning, vilket kan leda till nya behandlingar för sjukdomar som startar när proteiner felveckas.

För vissa proteiner, inklusive talin, är mekaniska krafter inuti och utanför cellen nödvändiga för att proteinet ska få den form som låser upp dess funktion. Inuti cellerna tvingar mekaniska krafter talin att utvecklas, vilket avslöjar receptorer där andra proteiner kan binda för att bilda nödvändiga meddelandeförbindelser.

"Processen är som en mekanisk dator eftersom den beräknar hur mycket kraft som behövs för att alla anslutningar ska ske," sa Popa. "Dessa krafter berättar för cellen vad som händer runt den."

Cellen producerar olika ligander, som omvandlar mekaniska krafter till kemiska signaler när de binder till ett protein. Och den mekaniska finjusteringen av dessa ligander, inklusive DCL1, är det som gjorde forskarna så intresserade av talin till att börja med.

Platsen, eller domänen, där DCL1 binder till talin har det högsta antalet tillgängliga ligander bland alla bindningsstationer på proteinet. Faktum är att meddelanden pågår både inuti och utanför cellen eftersom ligander hjälper till att orkestrera uppgiften. Genom att korrelera och mäta vikningens kraftmekanism har forskarna kunnat studera denna process mer i detalj.

Hur pincetten kan "se"

Forskare visste redan att DCL1 bara binder till en viss domän på talinproteinet. UWM-forskarna avslöjade hur:Som svar på en applicerad kraft, vecklas talin upp och återveckas, och bildar en struktur där DCL1 binder nästan oåterkalleligt.

"Vi samlade in data från talinmolekylen när den vecklades ut och veckades om och lade sedan till DCL1 för att se hur den förändrades," sa Popa. "Tidigare forskning indikerade en svag interaktion, vilket tyder på att det förmodligen inte är drivkraften bakom DCL1:s suppressorförmåga. Men när vi testade det fann vi motsatsen - den resulterande molekylen blir superstabil."

Den magnetiska pincetten gjorde det möjligt för forskarna att göra mätningar på en proteinmolekyl som bara var några nanometer stor. Efter att ha kopplat den mellan en glasyta och en paramagnetisk pärla, mäter forskarna positionen för den paramagnetiska pärlan vid en fritt rörlig ände av molekylen, och den för en omagnetisk pärla, limmad på samma yta som den motsatta änden av proteinet. Sedan applicerar de en magnetisk kraft, replikerar de exakta mekaniska störningarna som utövas på ett protein i kroppen, och mäter dess utveckning och återveckning för att förstå hur dess struktur förändras.

Med den magnetiska pincetten kan forskarna undersöka effekten av dessa krafter över dagar snarare än minuter, liknande deras tidslinjer i kroppen.

hormonernas roll

Aktiveringen av talin under cellspridning och vävnadsuppbyggnad styrs av hormoner. I detta skede genomgår proteinet cykler av sträckning och bindning med andra proteiner. Mekaniska krafter spelar in när fler proteiner går med i processen.

För att talin ska aktiveras måste det föras till cellmembranet av budbärare som signalerar från cellcytoskelettet till den extracellulära matrisen, den omgivande miljön som cellerna är inbäddade i.

Popas team spårade effekten av DCL1 i denna process.

"Under denna hormondrivna "inifrån och ut"-aktivering, om DLC1 också binder till talin, kommer det inte att tillåta den rekryteringen till membranet," sa han. "Vilket som helst av stegen som kontrollerar cellspridning kan hävas av cancerceller för att bli metastaserande. I vissa fall är DLC1 helt undertryckt."

Saknad eller felaktig DCL1 kanske inte är den enda faktorn i cancerspridning, sa Popa. Men arbetet illustrerar de alternativa beteendena hos proteiner under våld och pekar på en riktning för ytterligare studier för denna proteininteraktion som ett potentiellt mål för cancerläkemedel.