Новый метод визуализации показывает, как механическая сила влияет на формирование белковых комплексов

Традиционно биологию понимают через призму биохимии: клетки общаются с помощью химических сигналов. Однако этот подход игнорирует ключевой фактор — физическую механику.

«Приложение физической силы к клетке может изменить её структуру и поведение, — объясняет Брентон Хоффман, профессор биомедицинской инженерии в Университете Дьюка. — Например, сила тока крови помогает венам и артериям формировать правильную форму. Но изменённая механика может вызывать и аномалии, как при раке молочной железы: опухоль ощущается как жёсткое уплотнение, что заставляет клетки генерировать больше механической силы и может привести к их миграции».

Поскольку область механобиологии относительно нова, инструментов для изучения того, как механические сигналы влияют на клеточные пути, не хватает. В новой статье в Developmental Cell команда Хоффмана описала новый метод визуализации — FTC (fluorescence-tension co-localization). Он позволяет в живой клетке увидеть, как сила, приложенная к одному белку, меняет локальную концентрацию других белков.

«FTC впервые позволяет увидеть, как механические силы, испытываемые одним белком, влияют на его способность привлекать другие белки, — говорит Хоффман. — Это важно, так как изменение близости белков — один из основных способов активации сигнальных путей».

В качестве доказательства концепции команда изучила линкерный белок винкулин, находящийся в фокальных адгезиях — структурах, обеспечивающих клетке физическую опору. Проанализировав более 5000 клеток и 500 000 фокальных адгезий, они определили, как 20 других белков реагируют на изменение силы, приложенной к винкулину.

Ключевые наблюдения:

• Большинство белков перемещались к винкулину при приложении силы.
• На результат влияли величина и точка приложения силы, а также зрелость фокальной адгезии.
• В незрелых адгезиях натяжение усиливало взаимодействие с белками, регулирующими прикрепление к опорной структуре.
• В зрелых адгезиях натяжение усиливало взаимодействие с белками, регулирующими способность клетки к сокращению.

Эта контекстная зависимость, вероятно, лежит в основе сильного и разнообразного влияния механических стимулов на клетки.

Работа закладывает основу для развития механобиологии. Понимание того, как окружение влияет на взаимодействия винкулина, может помочь подалить сигналы, ведущие к нежелательному поведению клеток или болезни.

«Многие заболевания — рак, астма, сердечно-сосудистые болезни, мышечная дистрофия — имеют явный механический компонент, что указывает на неиспользованный источник новых терапевтических мишеней, — говорит Хоффман. — Создание инструментов для таких фундаментальных исследований — ключ к пониманию механических эффектов, и оно может повлиять на области от тканевой инженерии до медицины».