新的成像方法可视化了对蛋白质施加力如何改变复杂的形成

今天，大多数研究人员通过生物化学原理来理解生物学。细胞通过化学信号进行交流和激活过程，传统医学长期以来一直专注于如何通过修改这些信号来治疗疾病。

然而，这种方法忽略了影响细胞行为的主要因素：物理力学。

“对细胞施加物理力可以改变和控制细胞的结构和行为，”杜克大学生物医学工程副教授布伦顿霍夫曼解释说。“例如，流动血液产生的力有助于静脉和动脉生长成正确的形状并正常运行。

但改变的机制也会导致乳腺癌等疾病中的异常行为。

“当有人感到僵硬的肿块时，通常会发现乳腺肿瘤，这会导致细胞产生更多的机械力，从而导致细胞迁移，”霍夫曼说。“最近的研究表明，这些物理变化实际上可能是癌症扩散的触发因素。

由于机械生物学领域相对较新，研究人员仍在开发工具，以解决有关不同机械线索如何干扰细胞及其信号通路的基本问题。在三月份发表在《发育细胞》上的一篇新论文中，霍夫曼和他的团队描述了一种新的成像方法，以可视化力如何影响活细胞中的蛋白质及其周围环境。

在这项工作之前，有两种主要方法可以研究机械力对蛋白质行为的影响。第一种方法涉及对已纯化并从细胞中去除的单个蛋白质或蛋白质对施加力。虽然这可以精确地确定力是否影响蛋白质行为，但它不能探测这些行为如何影响其他蛋白质或细胞结构。

另一种方法涉及捕获离开细胞结构的蛋白质，当这些结构被迫保持静止时。虽然这种方法可以识别大量具有一定力敏感性的蛋白质，但它并没有告诉研究人员这些蛋白质如何相互作用并形成复杂的结构。

为了弥合这些方法之间的差距，Hoffman和他的团队开发了FTC，或荧光张力共定位。FTC使研究人员能够研究当不同的蛋白质被物理戳时蛋白质的局部浓度如何变化。

“FTC让我们第一次看到一种蛋白质所经历的机械力如何影响其吸引其他蛋白质的能力，”霍夫曼说。“这是一项重大成就，因为改变蛋白质接近是信号通路被激活的主要方式之一，它控制着细胞行为。

作为概念证明，Hoffman和他的团队研究了接头蛋白黏着蛋白，它存在于称为局灶粘连的亚细胞结构中，为细胞提供物理支持。通过成像和分析超过5，000个细胞和超过500，000个粘连，研究小组确定了其他20种蛋白质如何响应黏着蛋白所经历的力量的变化而移动。

虽然他们观察到当施加力时，绝大多数蛋白质会向长春斑蛋白移动，但研究小组还观察到影响哪些蛋白质被黏着蛋白招募的其他几个因素，例如施加的力的大小，施加力的位置以及含有黏着蛋白的粘附的成熟度。

例如，如果黏着蛋白是未成熟粘附的一部分，张力会导致与调节周围支撑结构粘附的蛋白质的相互作用增加。相反，如果黏着蛋白是成熟粘附的一部分，张力会增加与调节细胞收缩能力的蛋白质的相互作用。这种环境依赖可能是机械刺激对细胞强烈而多样的影响的基础。

霍夫曼说，这项工作是推进机械生物学领域的基础，因为识别这些类型的力敏感蛋白关系将有助于研究人员破译力敏感信号通路。了解周围环境如何影响黏着蛋白与其他蛋白质相互作用的能力也可以帮助研究人员关闭驱动不良细胞行为甚至疾病的信号传导。

“有很多疾病状态缺乏有效或无副作用的化学治疗选择，无论是癌症，哮喘，心血管疾病还是肌肉萎缩症。这些都有明确的机械成分，表明了一种尚未开发的方法来确定新的治疗靶点，“霍夫曼说。“制作必要的工具来研究力如何影响蛋白质发送到周围环境的信号是理解这些机械效应的关键，它有可能影响从组织工程到医学的领域。