Roles of tension driven ligand independent integrin activation in physiological cellular processes

Abstract

Οι ιντεγκρίνες προωθούν την προσκόλληση των κυττάρων μέσω της αλληλεπίδρασής τους με ουσίες της εξωκυττάριας μήτρας και την δημιουργία εστιακών προσκολλήσεων, οι οποίες συνδέουν την εξωκυττάρια μήτρα με τον ενδοκυττάριο κυτταροσκελετό ακτίνης. Οι ιντεγκρίνες υπάρχουν σε διαφορετικές διαμορφώσεις, οι οποίες αντιστοιχούν σε διάφορα στάδια ενεργοποίησης και συγγένειας προς το υπόστρωμά τους. Ενώ έχει δειχθεί πως η αλληλεπίδραση με το υπόστρωμά τους είναι απαραίτητη για την πλήρη ενεργοποίηση του υποδοχέα, έχει επίσης δειχθεί πως η ενεργοποίηση των ιντεγκρινών είναι δυνατόν να γίνει και στην απουσία αυτής της αλληλεπίδρασης. Δεδομένα παραγόμενα από την ομάδα μας έδειξαν πως οι ιντεγκρίνες ενεργοποιούνται στην πλασματική μεμβράνη (ΠΜ) όταν αυτή υποστεί μηχανικές δυνάμεις κατά την διάρκεια της μίτωσης, οδηγώντας στην στρατολόγηση πρωτεϊνών των εστιακών προσκολλήσεων και την δημιουργία του μηχανοαισθητήριου συμπλόκου του φλοιού (ΜΣΦ). Το ΜΣΦ δημιουργείται στον φλοιό του μιτωτικού κυττάρου, σε απόσταση από το υπόστρωμα, και είναι απαραίτητο για τον προσανατολισμό της μιτωτικής ατράκτου εις απόκριση των εξωτερικών μηχανικών δυνάμεων. Σε αυτή την διατριβή, δείχνουμε πως, σε υποστρώματα καντερινών, οι ιντεγκρίνες ενεργοποιούνται στον φλοιό του κυττάρων, στην απουσία υποστρώματος των ιντεγκρινών και στην απουσία κυτταρικής προσκόλλησης με το υπόστρωμα. Οι ιντεγκρίνες στον φλοιό αποκτούν την εκτεταμένη διαμόρφωση με κλειστό κεφάλι, επιβεβαιώνοντας την απουσία αλληλεπίδρασης με το υποστρωμα. Επιπλέον, δείχνεται άμεσα ότι οι ίνες συστολής είναι ικανές να ασκήσουν δυνάμεις στον φλοιό των μεταφασικών κυττάρων, και ότι η ικανότητα αίσθησης της δύναμης είναι απαραίτητη για τον προσανατολισμό της μιτωτικής ατράκτου όταν αυτά γίνονται σφαιρικά και δεν παρουσιάζουν ανισοτροπικό σχήμα. Πιο συγκεκριμένα, αποδεικνύουμε ότι ένα κύριο μέλος του ΜΣΦ, η κινάση των εστιακών προσκολλήσεων FAK, είναι απαραίτητη αποκλειστικά για τον προσανατολισμό της ατράκτου σε κύτταρα που γίνονται στρογγυλά κατά την μετάφαση. Επιπλέον, οι σύνδεσμοι προσκόλλησης, μέσω αύξησης της μεμβρανικής δύναμης, μπορούν να προωθήσουν τοπικά την ενεργοποίηση των ιντεγκρινών, στην απουσία υποστρώματος, και την προώθηση της εκτεταμένης διαμόρφωσης με κλειστό κεφάλι. Αυτό οδηγεί στην στρατολόγηση διαφόρων πρωτεϊνών των εστιακών προσκολλήσεων, οδηγώντας στην δημιουργία των υβριδικών προσκολλήσεων, στις οποίες οι πρωτεΐνες των εστιακών προσκολλήσεων και των συνδέσμων προσκόλλησης συνυπάρχουν σε αυτόνομες δομές. Η ομαδοποίηση και η ενεργοποίηση των ιντεγκρινών στους συνδέσμους προσκόλλησης είναι εξαρτώμενες από την δύναμη που ασκείται στην περιοχή από την ακτομυοσίνη, οι οποίες έπειτα προωθούν την αποικοδόμηση των συνδέσμων προσκόλλησης, μια διαδικασία εξαρτώμενη των μικροσωλινίσκων και της ενδοκύτωσης μέσω καβεολίνης. Τέλος, σε αυτή την μελέτη δείχθηκε ότι οι σύνδεσμοι προσκόλλησης καθοδηγούν τοπολογικά την πρόσδεση του του υποστρώματος στην επιφάνεια του κυττάρου, μέσω ου καθορισμού της διανομής των ιντεγκρινών.

Integrin receptors mediate cell adhesion through their interactions with extracellular matrix (ECM) components and the formation of focal adhesions (FAs), linking the ECM with the actin cytoskeleton. Integrins exist in different conformations, which correspond to different states of activation and affinity for ligand binding. Interaction with a ligand is necessary for full activation of the receptor; however, it has been shown that ligand independent activation of integrins is possible. Previous work from our group showed that integrins can be activated by plasma membrane (PM) tension at the cortex of mitotic cells, leading to the recruitment of FA proteins and formation of the cortical mechanosensory complex (CMC). The CMC is established on the lateral cortex, at a distance from the substrate and is essential for spindle responses to external mechanical stimuli. In this study, we show that, on cadherin substrates, integrin activation takes place at the cortex of the cell in the absence of integrin ligands and cell-ECM interactions. Integrins at the cortex acquire the extended closed headpiece conformation in agreement with the absence of ligands. We show directly that retraction fibres (RFs) exert forces on the cortex of metaphase cells, and that force sensing is only required for spindle orientation when mitotic cells fully round up and display no shape anisotropy. We show specifically that a core member of the CMC, the focal adhesion kinase (FAK), is only required for correct spindle orientation in cells that do not maintain shape anisotropy. We go on to show that PM tension driven, ligand independent activation of integrins also takes place at adherens junctions. AJs spatially guide the clustering and activation of integrin receptors in a ligand independent fashion, again promoting the acquisition of the extended with closed headpiece conformation. Integrin activation at AJs promotes the recruitment of several FA proteins, leading to the formation of hybrid adhesions (HAs), in which FA and AJ components are spatially segregated but co-exist in a single adhesive unit. AJ associated integrin clustering and activation depend on actomyosin generated tension, and promote AJ disassembly in a caveolar endocytosis and microtubule network dependent manner. Finally, we show that AJs spatially influence integrin ligand binding on the cell surface by guiding the distribution of high ligand affinity integrin receptors. Collectively, we demonstrate two different contexts in which ligand independent integrin activation takes place through PM tension, impacting intracellular processes such as spindle orientation, AJ dynamics and BM formation.