肌动蛋白是细胞中丰富的蛋白质之一，它有很多工作——从赋予细胞独特的形状和结构到管理对许多细胞功能至关重要的蛋白质网络。没有它，脆弱的生命基本单位就会崩溃。
很多肌动蛋白的活动是基于机械信号。它似乎以某种方式感知来自环境的物理反馈并做出相应的反应。现在，eLife 的一项新研究描述了这种机械信号的工作原理。通过从字面上拉伸单个肌动蛋白丝，研究人员确定了肌动蛋白将细胞机械信息传递给其他蛋白质的过程。由于数百种不同的蛋白质与肌动蛋白丝结合，这一发现的意义深远，并可能最终解释细胞如何机械控制运动——包括心肌细胞如何收缩或运动细胞如何运动。
“肌动蛋白丝可能是细胞中微小的弹性张力传感器的想法已经在文献中流传了一段时间，但我认为我们在这里确实证明了这一点，”助理教授兼实验室负责人 Gregory M. Alushin 说结构生物物理学和机械生物学。“我们现在才刚刚开始了解细胞中机械信号的细微差别。”
细胞的生命周期与化学信号密切相关，在化学信号中，经过充分研究的配体和受体网络向细胞提供信息，并确定它是否生长、分裂、迁移或死亡。但物理力也通过一种完全不同的现象将关键信号传递给细胞，在这种现象中分子相互推拉，不断地聚集在一起并解离。
虽然几十年的研究已经阐明了化学信号过程，但对机械信号的细节仍然知之甚少。例如，很明显，当一个细胞附着在培养皿底部或与相邻细胞接触时，它与周围环境的相互作用是由肌动蛋白驱动的，肌动蛋白与细胞外缘的所谓粘附蛋白结合。
但仍不清楚细胞如何将机械信号从其环境传递给肌动蛋白，以及肌动蛋白如何将该信号传递给召唤粘附蛋白或将它们推开。
“我们已经了解肌动蛋白结合粘附蛋白很多年了，”洛克菲勒化学生物学研究生林梅说。“但在我们的研究之前，没有研究证明拉伸肌动蛋白会向能够感知这种机械力的蛋白质传递机械信号。”
“软盘尾”接收传输
为了进一步调查，Alushin 和 Mei 拉伸了肌动蛋白——从字面上看。
与洛克菲勒的刘世新合作，研究人员承担了一项艰巨的任务，将一根大约为人类头发宽度的 1/15,000 的肌动蛋白丝悬吊在两个固定细丝两端的微型珠子之间。然后，他们将细丝暴露于一种称为 α-连环蛋白的粘附蛋白中，并使用一种称为激光镊子的创新技术来拉动肌动蛋白，使其足以模拟它在细胞中可能经历的微小张力。
他们观察到肌动蛋白在拉动α-连环蛋白时与它的结合更好，这意味着肌动蛋白正在向α-连环蛋白传递机械信号，而α-连环蛋白具有接收该信号的能力。
但是一种类似的粘附蛋白纽蛋白被证明是信号失聪的。在先进的电子显微镜技术的帮助下，研究人员找到了 α-catenin 和 vinculin 之间的关键区别。“α-连环蛋白中有一种肽，一种松软的小尾巴，只有当它直接与肌动蛋白结合时才会部分折叠，”Alushin 说。“这两种蛋白质的所有其他部分基本相同。”
他和他的同事怀疑肌动蛋白正在传递一个非常好的机械信号，但只有 α-连环蛋白的松软尾巴准备好接收它。Vinculin 失去了松软的尾巴，只是错过了肌动蛋白的呼叫。为了验证这一理论，他们设计了一种移植了 α-连环蛋白尾巴的 vinculin 版本——当肌动蛋白被拉伸时，松软的 vinculin 开始更好地结合。肌动蛋白是信号传递者；软盘尾，接收器。
Alushin 指出，虽然 α-连环蛋白及其松散的尾巴最终可能成为临床治疗的一个有吸引力的目标，但新发现首先是对新兴的机械生物学领域的一次妙招，该领域研究机械力如何在细胞水平上驱动关键过程. “我们知道 α-连环蛋白对大脑发育至关重要，并且经常在癌症中发生突变，但我们所知道的大部分是，如果你摆脱它，细胞中的其他一切都会破坏，”他说。“通过定义 α-连环蛋白中的力检测器，我们将使研究人员能够准确了解其在机械信号中的功能。”
“我们怀疑还有数百种其他蛋白质可以直接感知肌动蛋白传递的力，”梅补充道。“我们的工作为开始寻找所有其他力敏感蛋白提供了基础和分子细节。”