Forskare från Mechanobiology Institute (MBI) vid National University of Singapore har utvecklat en ny metod, med superupplösningsmikroskopi, för att bestämma längden på sträckta proteiner i levande celler, och övervaka den dynamiska bindningen av proteiner, under en sekund. Denna studie publicerades i Nanobokstäver i maj 2016.

Celler utsätts ständigt för mekaniska krafter. Dessa signaler påverkar cellulärt beslutsfattande genom att tillhandahålla information som celler behöver för att bestämma hur mycket av ett visst protein som ska produceras, när en specifik gen ska uttryckas, eller till och med om en cell ska flytta eller förbli där den är. Sådan information är avgörande, till exempel, för att upprätthålla hälsan, integritet och reparation av vävnader när vi åldras. Ett tydligt exempel på när celler utsätts för krafter är när vi går. Stretch- eller dragkrafter genereras i våra muskler, och dessa passerar genom muskeln till bindväv och ben. Även om denna information genereras på vävnadsnivå, det konvergerar till enskilda celler i dessa vävnader, och detekteras och mäts av subcellulära, proteinbaserad, maskiner.

För att mäta krafterna som appliceras på en cell, specialiserade proteiner kan deformeras. Ett vanligt sätt att detta inträffar är när ett protein sträcks, precis som hur ett elastiskt band sträcker sig när det utsätts för dragkrafter. Sträckning av proteiner kan exponera regioner inom dem som annars är dolda. Dessa regioner kan fungera som dockningsställen för vidhäftning av andra proteiner. Detta leder till en snöbollseffekt, där fler och fler proteiner kan binda, och större molekylära komplex eller maskiner bildas för att förmedla en specifik cellulär funktion. Detta fenomen utforskades nyligen av MBI Director, Professor Michael Sheetz, Senior forskare Dr Felix Margadant och doktorand Ms Xian Hu (Edna), i arbetet fokuserat på att karakterisera sträckningen av ett kraftavkännande protein känt som talin, och fastställa effekten det har på bindningen av ett annat protein som kallas vinkulin.

Även om flera studier har visat den kraftinducerade sträckningen av talin- och talin-vinkulinbindning in vitro, Samtidig visualisering av båda dessa händelser och deras korrelation till specifika cellulära funktioner var inte tidigare möjlig i levande celler på grund av de snabba tidsskalor vid vilka de inträffar. Också, att utföra multicolor superupplösningsavbildning i levande celler är fortfarande mycket svårt. För att övervinna dessa utmaningar, Prof Sheetz och fru Hu utvecklade en roman, och mycket avancerad bildbehandlingsmetod med superupplösning, som gjorde det möjligt för dem att samtidigt övervaka talinlängd i levande celler, såväl som dynamiken i vinkulinbindning, på enstaka molekylnivå och millisekunders tidsskala.

Genom att fästa olika fluorescerande molekyler (GFP och mCherry), till varje ände av talin och en tredje fluorofor (Atto655) till vinkulin, forskarna kunde övervaka den exakta subcellulära platsen för varje protein, och bekräfta att när talin sträcktes, vinkulin bundet till nyligen exponerade platser. Intressant, deras fynd avslöjade ofta klustrad bindning, med fem eller fler vinkulinmolekyler som binder till talin på en sekund. Dessutom, bindningen av de första vinkulinerna verkade energiskt gynna den successiva bindningen av fler vinkulinmolekyler. Korrelerar vinkulinbindningsdynamik med mängden talintöjning, forskarna noterade att maximal vinkulinbindning inträffade i en specifik ände av talin (den N-terminala regionen), när talin sträcktes till cirka 180 nm.

Att förstå hur talin och vinkulin reagerar på sträckande krafter är avgörande för att förstå hur celler reagerar på krafter i våra kroppar. I detta fall, båda proteinerna finns i större molekylära maskiner som kallas fokala adhesioner, som fysiskt förbinder det inre av en cell med materialet som omger cellen, den extracellulära matrisen. Fokala vidhäftningar fungerar i första hand som signalreläcentra, och informationen de överför kan inducera celltillväxt och cellrörelser. När denna signalbehandling avbryts, eller inte är reglerad, sjukdomstillstånd uppstår och kroppens förmåga att läka sår, eller bibehålla vävnadsintegriteten när vi åldras försämras.

Även om det är viktigt för att underlätta dessa bredare cellulära och vävnadsprocesser, Talin-vinkulininteraktionen är bara en av många proteininteraktioner som svarar på kraft. Förhoppningen är att denna nybeskrivna metod ska bana väg för forskare att dissekera andra proteininteraktioner, både inom fokala vidhäftningar, och i andra molekylära maskiner, att förbättra vår förståelse för de många kraftdrivna cellulära processer som uppstår under utveckling och fortsätter fram till åldrande.