Curr Biol︱汪雪峰团队揭秘细胞丝状伪足贴附力为非连续节点状

撰文︱涂颖，汪雪峰

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

丝状伪足（filopodia）是一种管状的细胞胞质突起，它们形成的主要来源于之一是丝状肌动蛋白（actin filaments）的伸长。丝状伪足在细胞贴附，迁移和发育的过程中扮演着‘天线’的作用，用来探测和收集细胞与其所处环境的生物力学（cellular force）信息[1,2]。这些信息将会被用来指导细胞的某些重要的生理活动。例如，血小板形成丝状伪足可以在止血过程中促进与邻近的血小板发生聚集[3]。巨噬细胞形成丝状伪足以结合或者拉动远处的病原体从而进行胞吞[4]。最近有研究报道，被感染了新冠病毒的细胞可以表达更多的丝状伪足，更加容易传播感染[5]。总体而言，丝状伪足具有重要的细胞及生理功能，是一个非常具有研究价值的细胞结构。

细胞丝状伪足的延伸和收缩机制已经被广泛研究，但是其生物力学机制却是知之甚少。整合素（integrin，又称整联蛋白，结合蛋白）是传导细胞与其外环境（例如细胞外基质，extra cellular matrix）所产生作用力的一种跨膜蛋白[6]。作为细胞的贴附结构，丝状伪足招募整合素，介导细胞和其外环境（如细胞外基质）建立物理联系，从而开展一系列的细胞活动。丝状伪足中的整合素很可能传递力学信号，而且这些力学信号对于丝状伪足的形成和功能或有重要意义。但是由于丝状伪足的尺寸非常小（直径几百纳米），其产生的力也非常小，因此研究丝状伪足的贴附力并非易事。

2022年9月8日，爱荷华州立大学汪雪峰课题组在《Current Biology》上发表了题为“Filopodial adhesive force in discrete nodes revealed by integrin molecular tension imaging” 的研究论文。在此文中，第一作者涂颖博士等人使用单分子力学传感器（molecular tension sensors），首次将丝状伪足的贴附力进行成像，而且精度达到了单分子力的程度。实验结果揭示了一项非常有趣的现象 -丝状伪足利用整合素所产生的细胞力呈现有规律的不连续节点状，这些有周期性规律的力学节点间隔大约1微米。

文章作者首先创造了一个适合活细胞单分子力成像的平台。涂颖博士首创了在玻璃片上贴上一层有机分子膜。此分子膜由聚赖氨酸（Poly L-lysine）和聚乙二醇（Polyethylene Glycol）构成。前者通过静电力有效帮助细胞贴附，后者提供一层超净分子膜用来帮助单分子成像。最后单分子力学传感器也均匀的分布于此膜上。实验表明，HeLa细胞在此表面可以表达数量众多的丝状伪足。利用单分子力学传感器，该团队惊讶地发现丝状伪足上的整合素与细胞外基质所产生的力呈现有规律的节点，而且通过统计分析得到力学节点之间的距离大约是1微米。在观测丝状伪足延伸的过程中，作者发现丝状伪足往前延伸超过1微米的时候就会产生一个力学节点。

图1 丝状伪足上的细胞力呈现节点状

（图源：Ying Tu, et al., Curr Biol., 2022）

随后分别利用布雷他汀（Blebbistatin）抑制肌球蛋白收缩（Myosin contraction）和细胞松弛素D（Cytochalasin D）抑制肌动蛋白聚合（Actin polymerization），研究团队发现丝状伪足所产生的细胞力有显著减弱的现象。通过统计分析，揭示了丝状伪足上整合素所产生的细胞力有两种不同的产生机制，肌动蛋白聚合是产生在远端（远离细胞）细胞力的主要来源，而肌球蛋白收缩是在近端（靠近细胞）产生的细胞力的主要来源。

图2 丝状伪足上的细胞力所产生的机制

（图源：Ying Tu, et al., Curr Biol., 2022）

接着，该团队重点研究了钮蛋白（vinculin）在丝状伪足产生力的过程中所扮演的角色。通过对比vinculin wild-type 和 vinculin 敲除两种细胞系，细胞力学节点的间距在这两种细胞中并没有发生显著变化。这表明vinculin虽然在黏着斑（focal adhesion）中扮演决定性因素，但是在丝状伪足的力学节点上并没有直接影响。通过对wild-type细胞里vinculin进行免疫染色, 作者发现vinculin也有呈现节点的趋势，但是并没有发现其与力学节点在空间上有直接关系。

图3 纽蛋白对丝状伪足上的细胞力的影响

（图源：Ying Tu, et al., Curr Biol., 2022）

最后，该团队研究了丝状伪足所产生力的大小。通过两种不同灵敏度（12pN和54pN）的力学传感器, 实验结果表明丝状伪足在细胞近端所产生的力可以扯断54pN（10^-12牛顿）的双链DNA（表明产生的力大于54pN），然而在细胞远端所产生的力只能扯断12pN的双链DNA（表明产生的力大于12pN但是小于54pN）。在通过比对敲除vinculin 的细胞之后，发现vinculin对丝状伪足远端力的影响要远小于其对细胞近端力产生的影响，这个结果也符合在近细胞端产生的力是由肌球蛋白收缩所造起的实验结果。

图4 丝状伪足上的细胞力的大小

（图源：Ying Tu, et al., Curr Biol., 2022）

文章结论与讨论，启发与展望丝状伪足是一个微小而复杂的细胞结果，它们的细胞膜上的整合素通过与其细胞外环境建立联系来指导细胞的生长发育。由于丝状伪足的尺度非常小，其整合素的数量很少，因此需要非常灵敏的传感器才能检测到如此微小的细胞力。利用单分子力学传感器，将单分子力直接转化成荧光信号，作者可以探测到单分子整合素所产生的力以及该力的大小，从而打开了利用荧光成像的方法来研究丝状伪足细胞力的大门。通过一系列的实验和统计分析，该研究团队揭示了丝状伪足在贴附的过程中整合素所产生的细胞力呈现不连续的节点状，而且相邻的节点间的距离大约1微米。通过抑制实验，本文作者解释了细胞力所产生的两种机制，分别是在近细胞端的肌球蛋白收缩和远细胞端的肌动蛋白聚合。纽蛋白作为黏着斑形成的重要因素，对丝状蛋白上的力学节点并没有直接的影响。同时，丝状伪足在近细胞端和远细胞端所产生的力的大小也有所不同。该论文利用一项先进的细胞力学成像手段成功地观测到及其微小的丝状伪足细胞力，推动了对丝状伪足在生物力学方面的研究。这些生物力学的研究手段和生物力学的深度分析对解析丝状伪足在癌细胞的迁移过程所扮演的角色有着重大的意义。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.08.040

第一作者：涂颖博士（中），通讯作者：汪雪峰教授（右）

（照片提供自：汪雪峰团队）

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Xue, F., Janzen, D.M., and Knecht, D.A. (2010). Contribution of filopodia to cell migration: a mechanical link between protrusion and contraction. Int. J. Cell Biol. 2010, 507821.

[2] Bornschlo¨ gl, T., Romero, S., Vestergaard, C.L., Joanny, J.F., Van Nhieu, G.T., and Bassereau, P. (2013). Filopodial retraction force is generated by cortical actin dynamics and controlled by reversible tethering at the tip. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 18928–18933.

[3] Pula, G., Schuh, K., Nakayama, K., Nakayama, K.I., Walter, U., and Poole, A.W. (2006). PKC delta regulates collagen-induced platelet aggregation through inhibition of VASP-mediated filopodia formation. Blood 108, 4035–4044.

[4] Chang, K., Baginski, J., Hassan, S.F., Volin, M., Shukla, D., and Tiwari, V. (2016). Filopodia and viruses: an analysis of membrane processes in entry mechanisms. Front. Microbiol. 7, 300.

[5] Bouhaddou, M., Memon, D., Meyer, B., White, K.M., Rezelj, V.V., Correa Marrero, M., Polacco, B.J., Melnyk, J.E., Ulferts, S., Kaake, R.M., et al. (2020). The global phosphorylation landscape of SARS-CoV-2 infection. Cell 182, 685–712.e19.

[6] Sa´ nchez-Cort es, J., and Mrksich, M. (2009). The platelet integrin alphaIIbbeta3 binds to the RGD and AGD motifs in fibrinogen. Chem. Biol. 16, 990–1000.

本文完