Impact of the Strength and Affinity of the Integrin-Talin Interaction on the Force-Persistance of Cell Adhesion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Integrine sind eine Familie aus 24 heterodimere Transmembranrezeptoren, bestehend aus je einer α und einer β Untereinheit. Sie sind verantwortlich für die Konvertierung des physikalischen Stimulus ‚Kraft‘ in biochemische Signalkaskaden. Es müssen also kraftpersistente Verbindungen zwischen der an die extrazelluläre Matrix bindenden Integrine und dem Ort der zellulären Krafterzeugung, dem Aktomyosin-Zytoskelett, bestehen. Ein besonders wichtiger Komplex für diese Verbindung ist der Komplex zwischen der C- terminalen, zytosolischen Domäne der β Integrine und dem zytosolischen Protein Talin. Talin verbindet Integrine mit dem Zytoskelett. Unter Kraft werden im Talin verborgene Bindungsstellen freigesetzt und Signalkaskaden initiiert. In unserem Projekt haben wir die Integrin-Talin Bindung unter Krafteinfluss theoretisch und experimentell untersucht. In Simulationen konnten wir feststellen, dass die Festigkeit der Bindung zwischen Integrin und Talin anisotrop ist. Bei Kräften parallel zur Membran kann sich der komplex relativ leicht reissverschlussähnlich öffnen. Kräfte senkrecht zur Membran hingegen führen zur Bildung eines neuen β-Faltblattes und verstärken die Bindung. Der Integrin-Talin Komplex kann daher nicht nur als Sensor für die Stärke von Kraft dienen, sondern auch als Sensor der Richtung der Kraft. Dies hat große physiologische Bedeutung, da innerhalb der Zelle Kräfte in unterschiedlichen Richtungen ausgeübt werden. Auch haben Kräfte, die von außen auf die Zelle einwirken, eine andere Richtung als die durch das Aktomyosin-Zytoskelett ausgeübten Kräfte. Um Kraftmessungen in der benötigten Auflösung durchführen zu können, haben wir dann ein Verfahren entwickelt, das automatisch auch in verrauschten Daten kleinste Studen erkennen vermag. Dieses Verfahren ermöglicht es uns, selbst in Kraftmessungen an lebenden Zellen Unterschiede der Kraftpersistenz von 5 pN messen zu können. Dies ist besonders herausfordernd wegen des inhärenten Rauschens bei diesen Messungen. In einem Zellmodell haben wir dann die Integrin-Talin Wechselwirkung allosterisch beeinflusst durch Konstruktion verschiedener chimärer Proteine aus Integrinen und einem anderen transmembranen Protein, Glykophorian A (GpA). GpA formt äußerst stabile transmembrane Dimere. Ersatz der nativen Integrin-Sequenz durch die GpA Sequenz erlaubt es nun, Adhäsivität von Migration und Signalweiterleitung zu entkoppeln. Mutiert man die GpA- Sequenz im Integrin-Kontext und verhindert die Assoziation der Helices, schafft man superadhäsive Zellen, die sehr viel stärker als Wildtyp-Zellen adhärieren, migrieren und Signale weiterleiten. Dies erlaubt die rationale Kontrolle von entscheidendem Zellverhalten. Zusammengefasst konnten wir von der Simulation ausgehend wichtige Erkenntnisse über die Wichtigkeit der Integrin-Talin Wechselwirkung für Zelladhäsion gewinnen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Identifying discrete states of a biological system using a novel step detection algorithm. PLoS One. 2012;7(11):e45896
Opfer J, Gottschalk KE
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The glycophorin A transmembrane sequence within integrin αvβ3 creates a non-signaling integrin with low basal affinity that is strongly adhesive under force. J Mol Biol. 2013 Aug 23;425(16):2988-3006
Müller MA, Opfer J, Brunie L, Volkhardt LA, Sinner EK, Boettiger D, Bochen A, Kessler H, Gottschalk KE, Reuning U
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β1- and αv-class integrins cooperate to regulate myosin II during rigidity sensing of fibronectin-based microenvironments. Nat Cell Biol. 2013 Jun;15(6):625-36
Schiller HB, Hermann MR, Polleux J, Vignaud T, Zanivan S, Friedel CC, Sun Z, Raducanu A, Gottschalk KE, Théry M, Mann M, Fässler R
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The integrin-talin complex under force. Protein Eng Des Sel. 2016 Oct 13
Neumann J, Gottschalk KE
