它在拨动琴弦——细胞对纤连蛋白修饰的弹性基底生化-力学耦合感知过程中整合素行为的研究

Cell’s sensing Extracellular matrix (ECM) rigidity depends on the component of ECM and is known to be a crucial biomechanical-biochemical coupling process for cells’ function. Among ECM proteins, collagen and fibronectin are the most frequently used ECM proteins in cell culture and play crucial roles in tissue regeneration and development. We have been working on the mechanism of cell’s sensing ECM elasticity for years, and have observed that integrin α2β1-collagen bond can sense the ECM rigidity via sensing the loading rate that is determined by ECM rigidity and dramatically influence the lifetime of the bond; low rigidity substrate triggers integrin α2β1 endocytosis thus impact BMP, Wnt signals, contributing to stem cell differentiation. On the contrary, however, integrin α5β1, heterodimers binding to fibronectin, doesn’t undergo endocytosis on fibronectin-coated soft substrate. In addition, cells on fibroncetin-coated soft substrate undergo a dynamic fluctuation of cell traction. We thus propose that cells sensing the rigidity of fibronectin-coated substrate via integrin α5β1 detachment, and the following trafficking to the close vicinity and reattach to the substrate. To address this issue, we will carry out our previous built assays of contour-based single cell force spectrumscopy and high resolution traction force microscopy.

细胞对胞外基质（ECM）弹性的感知与其生化组分相关，是具有重要意义的力学-生化耦合过程。胶原和纤连蛋白都是重要的ECM蛋白。我们在多年的工作中观察到：力加载速率能显著影响α2β1整合素-胶原复合物的寿命；α2β1整合素可以通过力加载速率感知ECM弹性，使其在较软ECM上易解离、内吞，从而触发BMP、Wnt等下游的信号通路，诱导干细胞分化。但是，在纤连蛋白修饰的较软ECM上，细胞中不显著发生α5β1整合素内吞现象，而是在高分辨率牵引力显微镜下展现出非常活跃的细胞牵引力涨落。提示在纤连蛋白修饰的ECM上，细胞的弹性感知经过了不同的生化-力学耦合过程。本项目拟采用我们之前建立的AFM单细胞力谱云图分析法和高分辨率牵引力显微术，对细胞感知纤连蛋白和ECM弹性过程进行的生化-力学协同观测，验证以下推测：细胞通过α5β1整合素的高频率解离、输运和就近重黏附现象对纤连蛋白修饰的弹性基底做出响应。

细胞与胞外基质互作在细胞迁移、分化等多种生命活动中具有重要意义，整合素是介导细胞与胞外基质粘附的重要跨膜蛋白，与配体结合的整合素在外力作用下会发生构象改变，进行胞内外生化与机械信息的传导。因此，整合素受配体结合键的动力学特性受到广泛关注。.整合素家族有许多家庭成员，它们在不同的细胞中与不同的细胞外基质黏附。通常某种特定细胞中同时拥有多个整合素家族的成员，分别负责与不同的细胞外基质蛋白黏附。然而多年以来，我们一直不太清楚同一个细胞中这么多个不同的整合素成员它们在感知外界环境中的作用究竟是有不同？还是仅仅作为彼此的备份存在？.本研究建立了基于云图法的单分子/细胞力谱实验数据分析方法，通过该分析方法，我们发现了α5β1-RGD整合素-配体复合物加载率强化现象，并且强化现象发生的转折点与α2β1-DEGA复合物有明显差异。在细胞膜上，α2β1-DEGA复合物加载率强化的转折点位于加载率~5800N/s；而α5β1-RGD整合素-配体复合物的加载率强化的转折点位于加载率~2800N/s。在单分子实验条件下，α2β1-DEGA复合物加载率强化的转折点位于加载率~4600N/s，而α5β1-RGD整合素-配体复合物的加载率强化的转折点位于加载率~1700N/s。上述结果表明这两种整合素对力学环境的敏感程度不同，这一加载率强化现象和两种整合素之间的差异在经典的分析方法中是无法看到的。.进一步，本研究引入贝叶斯推断的方法改进了单分子/细胞力谱实验数据分析方法。通过与经典的统计推断方法对比，基于贝叶斯推断的单分子/单细胞力谱分析法不仅可以更准确地显示整合素受配体复合物的动力学特性，也同时降低了对实验数据量的要求。.上述结果对理解细胞在不同组分、不同弹性的细胞外基质上的黏附和迁移过程的差异有帮助，也对理解癌细胞的迁移、转移特性有帮助，值得深入研究。