Extracellular matrix adhesion independent roles of integrins and FA proteins

Abstract

Η ικανότητα των κυττάρων και των ιστών ενός οργανισμού να μπορεί να αντιληφθεί και να αποκριθεί σε μηχανικές δυνάμεις μετατρέποντας τις σε βιοχημικά σήματα είναι γνωστή ως μηχανοαίσθηση. Οι κυτταρικές προσδέσεις οι οποίες βασίζονται σε ιντεγκρίνες και καντερίνες αποτελούν τα κύρια συστήματα πρόσδεσης κυττάρων με το εξωκυττάριο χώρο ή με γειτονικά κύτταρα αντίστοιχα. Και τα δύο συστήματα είναι απαραίτητα για την εμβρυική ανάπτυξη ενώ και ασθένειες όπως ο καρκίνος. Τα δύο συστήματα είναι χωρικά διαχωρισμένα, παρόλα αυτά, πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Η μηχανιστική προσέγγιση πίσω από αυτή την αλληλεπίδραση παραμένει όμως άγνωστη. Προηγούμενη δουλειά από την ομάδα μας, έδειξε ότι η ιντεγκρίνη β1 ενεργοποιείται στον φλοιό των κυττάρων κατά την μιτωτική διαίρεση, μέσω εφαρμογής μηχανικών δυνάμεων χωρίς την παρουσία προσδέτη. Αυτή η ενεργοποίηση οδηγεί στην δημιουργία ενός μηχανοαισθητήριου συμπλόκου αποτελούμενο από άλλες πρωτεΐνες των EΠ, το CMC. Σε αυτή τη μελέτη δείχνουμε ότι τόσο η πρόσδεση κυττάρων σε υποστρώματα ιντεγκρινών όσο και καντερινών οδηγούν στον ορθό προσανατολισμό της μιτωτικής ατράκτου στο επίπεδο της πρόσδεσης και οδηγούν σε πανομοιότυπες αποκρίσεις στα χωρικά σηματοδοτικά μηνύματα που μεταφέρονται από το υπόστρωμα στα κύτταρα. Δείχνουμε ότι ο τύπος του υποστρώματος παρέχει μόνο μηχανικά σήματα στα διαιρούμενα κύτταρα τα οποία δεν εξαρτώνται από τη μοριακή φύση των υποστρωμάτων. Αποδείξαμε επίσης ότι η ενεργοποίηση της ιντεγκρίνης και η δημιουργία του μηχανοαισθητήριου αυτού συμπλόκου είναι απαραίτητα για την ορθή οριοθέτηση της μιτωτικής ατράκτου αποδεικνύοντας έτσι ότι ο ρόλος των πρωτεϊνών αυτών είναι διαφορετικός από τον ρόλο που έχουν στις ΕΠ. Δείχνουμε επίσης ότι η ιντεγκρίνη β1 ενεργοποιείται στις περιοχές που παρατηρούνται οι ΣΠ των κυττάρων. Αυτή η ενεργοποίηση λαμβάνει χώρα κατόπιν συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος και εξαρτάται από την συνένωση των πρωτεϊνών μελών των ΣΠ με τον κυτταροσκελετό.. Αποδεικνίουμε ότι αυτή η ενεργοποίηση είναι αποτέλεσμα της άσκησης υψηλής μηχανικής δύναμης στους συνδέσμους αυτούς η οποία μεταφέρεται από τον κυτταροσκελετό της ακτίνης. Η ενεργοποίηση της ιντεγκρίνης ρυθμίζει αρνητικά τους ΣΠ οδηγώντας στην διάσπαση τους μέσω ενδοκυττάρωσης. Ενεργοποίηση της ιντεγκρίνης σε αυτά τα σημεία, οδηγεί στη στρατολόγηση πρωτεϊνών των ΕΠ και δημιουργούν το σύμπλοκο των υβριδικών προσδέσεων (ΥΠ). Η στοιχειομετρία των ΥΠ και η δομής της ιντεγκρίνης έχει διαφορές με αυτή των ΕΠ ενώ παρουσιάζει ομοιότητες με το CMC. Ο μηχανισμός μέσω του οποίου πραγματοποιείται η ενεργοποίηση της ιντεγκρίνης σε αυτά τα σύμπλοκα φαίνεται να γίνεται μέσω παγίδευσης μορίων ιντεγκρίνης σε ένα δίκτυο κυτταροσκελετού ακτίνης χωρίς την εναπόθεση προσδέτη. Αυτή η διαδικασία καθορίζει την τοπολογία της εναπόθεσης και δημιουργίας του εξωκυττάριου στρώματος τόσο σε κύτταρα όσο και σε έμβρυα βατράχου.

Mechanosensation and Mechanotransduction are the abilities of a cell to sense and respond to mechanical signals by translating them into biochemical pathways. The realization that mechanical forces influence and regulate numerous cell processes has changed our perspective in cell and molecular biology. Integrin-based adhesions and Cadherin-based adhesions are the two major metazoan adhesion systems that facilitate the cell-ECM and cell-cell adhesion respectively. Both systems have been found indispensable for proper embryonic development and loss of protein members of these complexes leads to embryonic lethality and are implicated in disease. The two systems are known to be spatially segregated in both cells and tissues. However numerous studies underline their crosstalk without providing any mechanistic insight of this interaction. Earlier work from our group revealed that a well characterized member of focal adhesions (FAs), FAK is implicated in tissue morphogenesis in Xenopus through the regulation of spindle orientation. Later work suggested that integrin β1 becomes activated through mechanical stimuli in the absence of a ligand at the lateral cortex of mitotic cells. Upon this activation, known FA proteins were shown to be recruited at the mitotic cortex forming the cortical mechanosensory complex (composed of FAK, p130Cas and Src). Here we show that both integrin-based and cadherin-based adhesion drive proper mitotic spindle orientation parallel to the plane of the attachment and promote identical responses to spatial cues provided by adhesion geometry showing that cell subtsrate interactions simply provide mechanistically cues to the dividing cells which are independent from the molecular nature of adhesion. We also show that integrin activation and the CMC are crucial for spindle orientation both on cadherin and fibronectin substrates. This shows that spindle responses to adhesion topology are a result of force anisotropy on the cell cortex and the role of cortical mechanosensory complex in this process is distinct from its role in cell-ECM adhesion. We move on to show that integrin β1 also becomes activated and clustered at adherens junctions. This activation relies on PM tension followed by stabilization through actin trapping within the actomyosin bundles terminating at mature AJs. We go on to show that that integrin β1 activation modulates adherens junction dynamics leading to their disassembly through caveolin based endocytosis. The activation of integrin β1 at AJs leads to the recruitment of FA proteins and to the formation of hybrid adhesion complexes in which the stoichiometry of FA proteins and the conformation of integrin β1 is distinct from that at FAs. At the same time this activation displays similarities to the cortical mechanosensory complex. Finally, we go on to show that integrin activation at AJs under increased tension not only leads to AJ disassembly but also spatially guides ECM deposition in vitro and in the embryo.