TGT surface è una piattaforma innovativa per studiare il crosstalk fattore di crescita-integrina. Il design flessibile della sonda, la specificità del ligando di adesione e la precisa modulazione delle condizioni di stimolazione consentono solide valutazioni quantitative dell’interazione EGFR-integrina. I risultati evidenziano EGFR come un “meccano-organizzatore” che sintonizza la meccanica dell’integrina, influenzando l’assemblaggio dell’adesione focale e la diffusione cellulare.
Gli organismi multicellulari si basano sulle interazioni tra recettori di membrana e ligandi affini nella matrice extracellulare circostante (ECM) per orchestrare molteplici funzioni, tra cui adesione, proliferazione, migrazione e differenziazione. Le forze meccaniche possono essere trasmesse dalla cellula attraverso l’integrina del recettore di adesione ai ligandi nell’ECM. La quantità e l’organizzazione spaziale di queste forze generate dalle cellule possono essere modulate dai recettori del fattore di crescita, incluso il recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR). Gli strumenti attualmente disponibili per quantificare i cambiamenti mediati da crosstalk nella meccanica cellulare e metterli in relazione con le aderenze focali, la morfologia cellulare e la segnalazione sono limitati. I sensori di forza molecolare basati sul DNA noti come tension gauge tethers (TGT) sono stati impiegati per quantificare questi cambiamenti. Le sonde TGT sono uniche nella loro capacità di modulare la soglia di forza sottostante e di riportare le forze del recettore della scala piconewton su tutta la superficie cellulare aderente a risoluzione spaziale limitata dalla diffrazione. Le sonde TGT qui utilizzate si basano sulla dissociazione irreversibile di un duplex del DNA da parte delle forze recettore-ligando che generano un segnale fluorescente. Ciò consente la quantificazione della tensione cumulativa dell’integrina (storia della forza) della cellula. Questo articolo descrive un protocollo che impiega TGT per studiare l’impatto dell’EGFR sulla meccanica dell’integrina e sulla formazione dell’adesione. L’assemblaggio della piattaforma di rilevamento meccanico TGT è sistematicamente dettagliato e viene delineata la procedura per l’immagine delle forze, le aderenze focali e la diffusione cellulare. Nel complesso, la capacità di modulare la soglia di forza sottostante della sonda, il ligando di adesione e il tipo e la concentrazione del fattore di crescita impiegato per la stimolazione rendono questa una solida piattaforma per studiare l’interazione di diversi recettori di membrana nella regolazione delle forze mediate dall’integrina.
Le cellule hanno la capacità intrinseca di percepire, generare e rispondere alle forze meccaniche, portando a cambiamenti nel fenotipo cellulare e al rimodellamento del microambiente locale 1,2. Le forze svolgono un ruolo cruciale nella regolazione di molti aspetti del comportamento cellulare, tra cui adesione, migrazione, proliferazione, differenziazione e guarigione delle ferite 3,4. Le aberrazioni nello scambio meccanico bidirezionale tra una cellula e il microambiente possono portare a stati patologici, incluso il cancro5. Numerosi recettori di membrana sono coinvolti nel mantenimento dell’omeostasi della matrice cellulare; di questi, le integrine e il recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) hanno una robusta sinergia 6,7. Classicamente, le integrine stabiliscono il legame meccanico tra il microambiente e il citoscheletro intracellulare mentre l’EGFR regola la crescita, la proliferazione e la sopravvivenza cellulare 8,9. L’EGFR è un bersaglio terapeutico altamente studiato, focalizzato sulla regolazione esterna-in che facilita la segnalazione intracellulare. Il crosstalk EGFR-integrina è stato stabilito geneticamente e biochimicamente per regolare la progressione di più malattie, incluso il cancro10,11. Mentre gli studi indicano l’esistenza dell’interazione EGFR-integrina, i risultati sono attribuiti a vie di segnalazione lontano dalla membrana plasmatica 7,12,13,14. L’impatto dell’EGFR, o di altri fattori di crescita, sulla meccanica cellulare rimane in gran parte inesplorato in parte a causa della mancanza di strumenti per misurare le forze cellulari e i risultati di segnalazione. La sfida sta nell’identificare strumenti appropriati per studiare la comunicazione tra questi paradigmi di segnalazione parallela e per quantificare i loro contributi specifici alla meccanica cellulare.
Sono stati sviluppati diversi approcci per misurare le forze generate dai recettori di adesione cellulare e il lettore è indirizzato a revisioni approfondite di queste tecniche15,16. In breve, la microscopia della forza di trazione e il rilevamento di array di micropilastri si basano sulla deformazione di un substrato sottostante per dedurre forze nanonewton (nN), un ordine di grandezza superiore alle singole forze recettoriali17,18. Le tecniche a singola molecola, tra cui AFM e pinzette ottiche, sono sensibili alle forze piconewton a singola proteina (pN) ma misurano solo un recettore alla volta e non offrono una buona (o qualsiasi) risoluzione spaziale. Le sonde di tensione molecolare basate sul DNA e le sonde TGT (Tension Gauge Tether) offrono una risoluzione della forza pN con risoluzione spaziale limitata alla diffrazione (o migliore), conferendo loro un ruolo unico nello studio delle forze unicellulari19,20 di diversi tipi di cellule, tra cui fibroblasti, cellule tumorali, piastrine e cellule immunitarie 21,22,23,24 . Mentre le sonde di tensione molecolare hanno un elemento “a molla” estensibile, ideale per l’imaging in tempo reale, le sonde TGT si rompono irreversibilmente, lasciando dietro di sé una “storia di forza” fluorescente. I TGT modulano inoltre la soglia di tensione del substrato sottostante; una serie di sonde con composizioni chimiche simili ma diverse forze di rottura, otolleranze di tensione (T tol), possono essere utilizzate per quantificare la tensione minima richiesta per la formazione dell’adesione focale e la diffusione cellulare. Le sonde TGT sono costituite da due filamenti di DNA complementari, uno ancorato alla superficie e l’altro che presenta un ligando alla cellula. Se un recettore lega il ligando ed esercita una forza maggiore delT tol della sonda, i fili saranno separati. Ttol è definito come la forza costante necessaria per rompere il 50% delle sonde in un intervallo di 2 s in condizioni ideali. Nelle sonde TGT “turn-on”, un quencher sul filamento superiore può essere separato da un fluoroforo sul filamento inferiore. Solo dove la sonda TGT è stata rotta, presumibilmente da forze maggiori o uguali a Ttol, verrà generato un segnale fluorescente. Le sonde TGT possono anche essere riparate, consentendo una facile manipolazione di sistemi biologici e test di più condizioni. Per questi motivi, le sonde TGT sono state utilizzate in questo lavoro.
Le sonde TGT sono state impiegate per studiare come l’adesione cellulare integrina-dipendente e le forze meccaniche sono modulate dall’EGFR21 attivato. Questo lavoro ha stabilito EGFR come un “mechano-organizer”, ottimizzando l’organizzazione dell’adesione focale e la generazione di tensione. Inoltre, è stato riscontrato che la stimolazione EGF ha influenzato la distribuzione e la maturità delle aderenze focali e una maggiore diffusione cellulare. Questo approccio potrebbe essere utilizzato in studi futuri per studiare come i fattori di crescita influenzano le forze meccaniche nella progressione e nella dinamica del tumore. Mentre il ruolo della diafonia EGFR-integrina nella regolazione della transizione epiteliale-mesenchimale è stabilito, il ruolo delle forze meccaniche in questo processo rimane poco esplorato10.
Qui, viene presentato un protocollo dettagliato per questi esperimenti che copre la sintesi e l’assemblaggio di sonde TGT 56 pN, la generazione di superfici TGT su coperture di vetro, l’applicazione di cellule Cos-7 sulla superficie TGT e la stimolazione con EGF, fissazione e colorazione di cellule con falloidina e un anticorpo anti-paxillina, fluorescenza a riflessione interna totale ad alta risoluzione (TIRF) e microscopia a contrasto di interferenza di riflessione (RICM) imaging, e quantificazione delle immagini. Questo protocollo, sebbene scritto per studiare la stimolazione EGF delle cellule Cos-7, è facilmente adattabile per molti esperimenti basati su TGT. Diversi ligandi, Ttol, tipi di cellule, parametri di stimolazione, proteine etichettate dopo la fissazione e analisi quantitativa possono essere facilmente sostituiti, rendendo questo protocollo robusto e ampiamente utile.
Con la dettagliata procedura passo-passo sopra descritta, è possibile preparare le superfici TGT per quantificare la morfologia cellulare e la tensione dell’integrina generata dalle cellule aderenti durante l’attaccamento cellulare e la diffusione dopo il trattamento con EGF. La semplice progettazione della sonda e la sintesi e la preparazione della superficie insieme alla semplice configurazione sperimentale hanno fornito una piattaforma stabile per studiare l’interazione di EGFR e integrine. Nel complesso, i risultati convalidano che l’attivazione ligando-dipendente di EGFR migliora la diffusione cellulare, sintonizza le proprietà di forza dei recettori dell’integrina e promuove l’organizzazione e la maturazione dell’adesione focale. I risultati ottenuti utilizzando le sonde TGT supportano l’ipotesi generale che i fattori di crescita, come l’EGFR, agiscano come “meccano-organizzatori”, aumentando la quantità e l’organizzazione spaziale della tensione dell’integrina e regolando l’orientamento e la meccanica delle aderenze focali.
Dopo l’applicazione sulla superficie TGT, le cellule atterrano, si attaccano e si diffondono mentre i recettori dell’integrina (αVβ3) rilevano e si legano al ligando cRGDfK. In questo modo le sonde TGT possono essere rotte meccanicamente, generando fluorescenza nel sito di innesto del ligando. La lettura è la “storia della forza” cumulativa della cellula che interagisce con la superficie. Ci sono alcuni problemi comuni con le superfici TGT che possono essere presenti durante questi esperimenti. L’elevata fluorescenza superficiale di fondo (Figura 6A,B), l’aspetto superficiale irregolare, l’incapacità delle cellule di generare il segnale di tensione (Figura 6C,D) e la mancata diffusione delle cellule (Figura 6E,F) possono essere dovute a carenze tecniche con la sonda TGT o la sintesi superficiale. Le soluzioni a questi problemi comuni sono presentate nella Tabella 1.
Il design semplice delle sonde TGT fornisce ai biologi cellulari un potente strumento per studiare specifici risultati di segnalazione dell’integrina del fattore di crescita in isolamento senza interferenze da altri recettori della superficie cellulare fornendo solo ligandi e stimolazioni specifici. Inoltre, le sonde TGT consentono di studiare la soglia di tensione sottolineando i singoli recettori dell’integrina durante l’adesione cellulare alla sensibilità pN. Approcci alternativi non riportano le forze esercitate dai singoli recettori con alta risoluzione spaziale in campioni fissi31. La microscopia con forza di trazione è sensibile solo alle forze nN, un ordine di grandezza superiore alle forze applicate dai singoli recettori dell’integrina15, e le sonde di tensione molecolare misurano le forze pN, ma poiché sono reversibili, non resistono robustamente alla fissazione. Per questi motivi, le sonde TGT sono uno strumento interessante per studiare la meccanica delle interazioni fattore di crescita-integrina.
Ci sono diverse sfumature tecniche associate alle sonde TGT che dovrebbero essere considerate prima di progettare un esperimento. L’immagine di tensione è un’istantanea nel tempo, che rappresenta la storia della forza e non un indicatore degli impegni recettore-ligando in un dato punto temporale. Poiché la generazione del segnale dipende dalla separazione della sonda, la fluorescenza TGT deriva da sonde aperte non sotto tensione attiva dall’impegno recettore-ligando. Ciò significa che la lettura per la tensione di integrina ottenuta sulla superficie TGT è di natura storica e cumulativa che rappresenta dove c’erano forze maggiori di Ttol; le posizioni delle attuali forze recettore-ligando inferioria T tol non sono riportate 19,32. Poiché la rottura del TGT provoca la cessazione dell’impegno recettore-ligando, la diffusione cellulare è dovuta alle interazioni integrina-ligando che sperimentano forze inferioria T tol. L’utente deve quindi fare attenzione quando definisce il tempo post-placcatura per stimare i risultati meccanici associati alle aderenze a base di integrina. Infine, va considerato il significato di Ttol. Le sonde TGT qui impiegate hanno un Ttol di 56 pN, dove Ttol è la forza costante necessaria per rompere il 50% delle sonde quando applicato per 2 s. Quando si considerano sistemi biologici complicati, i TGT probabilmente sperimentano una gradazione di forza eterogenea e diversificata con dipendenze temporali variabili. Se i TGT sono rotti da forze maggiori di Ttol, la fluorescenza sarebbe una sottostima della tensione totale. In alternativa, le forze al di sottodi T tol applicate per durate più lunghe possono rompere un numero simile di sonde come forze di soglia elevate applicate per tempi più brevi. Entrambi questi scenari possono portare alla stessa lettura dell’intensità di fluorescenza, rendendo difficile risolvere l’esatta magnitudine o dinamica della tensione utilizzando le sonde TGT33,34.
Nel complesso, le valutazioni della tensione dell’integrina con la stimolazione del fattore di crescita dovrebbero essere effettuate con attenzione progettando esperimenti con controlli interni, confrontando i profili di diffusione su altre superfici rivestite di matrice, effettuando valutazioni parallele della fluorescenza TGT nelle cellule in presenza o assenza di stimolazione del fattore di crescita e utilizzando TGT con Ttol diversi . I TGT consentono la quantificazione del ruolo della segnalazione del fattore di crescita nella regolazione della meccanica dei recettori dell’integrina, della dinamica di adesione focale e della diffusione cellulare. Questo protocollo può essere utilizzato come modello per molti esperimenti basati su TGT utilizzando sonde con diversi Ttol, diversi ligandi, diversi tipi di cellule o diverse condizioni di stimolazione. Qualsiasi proteina di interesse può essere etichettata dopo la fissazione e qualsiasi tipo di analisi quantitativa dell’immagine può essere implementata. Come tale, presentiamo un modello per numerosi esperimenti TGT.
L’uso di sonde TGT non si limita allo studio delle integrine, ma può essere esteso a una vasta gamma di recettori di membrana cellulare in diversi tipi di cellule modificando il ligando. Le sonde TGT sono state utilizzate per studiare il ruolo delle forze nella regolazione di varie cascate di segnalazione dei recettori, tra cui l’identificazione del ruolo meccanico della meccanica del recettore di Notch nello sviluppo embrionale e nella neurogenesi35, le forze che mediano l’identificazione e l’internalizzazione degli antigeni da parte dei recettori delle cellule B36 e la capacità di correzione meccanica dei recettori di superficie delle cellule T per rilevare cambiamenti nelle forze per aumentare la forza e la specificità del trasferimento del segnale37 . Insieme, questi risultati evidenziano l’immenso potenziale delle sonde TGT in una varietà di contesti sperimentali.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori vorrebbero riconoscere i membri del laboratorio Mattheyses per discussioni e critiche fruttuose. Riconosciamo il finanziamento ad A.L.M. da NSF CAREER 1832100 e NIH R01GM131099.
(3-Aminopropyl)triethoxysilane | Millipore Sigma | 440140 | Surface Preparation |
3-hydroxypicolinic acid (3-HPA) | Millipore Sigma | 56197 | Maldi-TOF-MS matrix |
Acetic Acid, Glacial | Fisher Scientific | A38S | Diluting EGF |
Acetonitrile (HPLC) | Fisher Scientific | A998SK | Oligonucleotide Preparation |
Alexa Fluor 488 Phalloidin | Cell Signaling Technology | 8878S | Immunocytochemistry |
Ammonium Chloride | Fisher Scientific | A687 | Immunocytochemistry |
Anti-Paxillin antibody [Y113] | Abcam | ab32084 | Immunocytochemistry |
BD Syringes only with Luer-Lok | BD bioscience | 309657 | Surface Preparation |
Bio-Gel P-2 | Bio-Rad | 1504118 | Oligonucleotide Preparation |
Bovine Serum Albumin (BSA) Protease-free Powder | Fisher Scientific | BP9703100 | Surface Preparation |
Cos-7 cells | ATCC | CRL-1651 | Cell Culture, Passage numbers 11-20 |
Coverslip Mini-Rack, for 8 coverslips | Fisher Scientific | C14784 | Surface Preparation |
c(RGDfK(PEG-PEG)), PEG=8-amino-3,6-dioxaoctanoic acid | Vivitide | PCI-3696-PI | Oligonucleotide Preparation |
Cy3B NHS ester | GE Healthcare | PA63101 | Oligonucleotide Preparation |
Dimethylformamide | Millipore Sigma | PHR1553 | Oligonucleotide Preparation |
DMEM with L-Glutamine, 4.5g/L Glucose and Sodium Pyruvate | Fisher Scientific | MT10013C | Cell Culture |
Epidermal Growth Factor human EGF | Millipore Sigma | E9644 | Cell Culture |
Ethanol, 200 proof (100%) | Fisher Scientific | 22032601 | Surface Preparation |
Falcon Standard Tissue Culture Dishes | Fisher Scientific | 08-772E | Surface Preparation |
Fetal Bovine Serum | Fisher Scientific | 10-438-026 | Cell Culture |
Flurobrite DMEM | Fisher Scientific | A1896701 | Cell Culture |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-21244 | Immunocytochemistry |
Goat Serum | Fisher Scientific | 16-210-064 | Immunocytochemistry |
Hank’s balanced salts (HBSS) | Fisher Scientific | 14-170-161 | Cell Culture |
Horse Serum | Fisher Scientific | 16050130 | Immunocytochemistry |
Hydrogen Peroxide | Fisher Scientific | H325-500 | Surface Preparation |
Nanosep MF centrifugal devices | Pall laboratory | ODM02C35 | Oligonucleotide Preparation |
NHS-azide | Fisher Scientific | 88902 | Oligonucleotide Preparation |
Nitrogen Gas Cylinder | Airgas | Surface Preparation | |
No. 2 round glass coverslips – 25 mm | VWR | 48382-085 | Surface Preparation |
Parafilm M Laboratory Film | Fisher Scientific | 13-374-10 | Surface Preparation |
Paraformaldehyde 16% | Fisher Scientific | 50-980-487 | Immunocytochemistry |
PBS, 1X | Fisher Scientific | 21-030-CV | Surface Preparation/Immunocytochemistry |
Penicillin-Streptomycin (5,000 U/mL) | Fisher Scientific | 15-070-063 | Cell Culture |
PYREX Low Form Griffin Beakers | Fisher Scientific | 02-540G | Surface Preparation |
Sodium Ascorbate | Fisher Scientific | 18-606-310 | Oligonucleotide Preparation |
Sodium Bicarbonate | Fisher Scientific | S233 | Oligonucleotide Preparation |
Sodium Chloride | Fisher Scientific | BP358 | Surface Preparation |
Streptavidin | Fisher Scientific | 434301 | Surface Preparation |
Sulfo-NHS-LC-Biotin | Fisher Scientific | 21335 | Surface Preparation |
Sulfuric Acid | Fisher Scientific | A300-500 | Surface Preparation |
TEAA | Fisher Scientific | NC0322726 | Oligonucleotide Preparation |
Triethylamine | Millipore Sigma | 471283 | Oligonucleotide Preparation |
Trifluoroacetic Acid (TFA) | Fisher Scientific | PI28901 | Oligonucleotide Preparation |
THPTA | Fisher Scientific | NC1296293 | Oligonucleotide Preparation |
Triton X 100 Detergent Surfact Ams Solution | Fisher Scientific | 85111 | Immunocytochemistry |
Water, DNA Grade, DNASE, Protease free | Fisher Scientific | BP24701 | Oligonucleotide Preparation |
Equipment | |||
Agilent AdvanceBio Oligonucleotide C18 column, 4.6 x 150 mm, 2.7 μm | Agilent | 653950-702 | Oligonucleotide Preparation |
High-performance liquid chromatography | Agilent | 1100 | Oligonucleotide Preparation |
Low Speed Orbital Shaker | Fisher Scientific | 10-320-813 | Immunocytochemistry |
Matrix-assisted laser desorption/ ionization time-of-flight mass spectrometer (MALDI-TOF-MS) | Voyager STR | Oligonucleotide Preparation | |
Molecular Probes Attofluor Cell Chamber | Fisher Scientific | A7816 | Surface Preparation |
Nanodrop 2000 UV-Vis Spectrophotometer | Thermo Fisher | Oligonucleotide Preparation | |
Nikon Eclipse Ti inverted microscope | pe Nikon | Microscopy | |
Nikon Perfect Focus System | Nikon | Microscopy | |
NIS Elements software | Nikon | Microscopy | |
ORCA-Flash4.0 V3 Digital CMOS camera | Hamamatsu | Microscopy | |
Quad band TIRF 405/488/561/647 cube | CHROMA | Microscopy | |
RICM Cube | CHROMA | Microscopy | |
SOLA v-nIR Light Engine | Lumencor | Microscopy | |
Thermo Forma Steri Cycle 370 CO2 Incubator | Fisher Scientific | Cell Culture | |
VWR 75D Ultrasonic Cleaner | VWR | 13710 | Surface Preparation |
Data Analysis | Use | ||
Fiji (Image J) | https://imagej.net/software/fiji/downloads | Quantitative Analysis | |
Graph Pad Prism | Graph Pad | Statistical Analysis | |
Oligo name | 5'modification/ 3' modification | Sequence (5' to 3') | Use |
Alkyne-21-BHQ2 | 5' Hexynyl/ 3' BHQ_2 | GTGAAATACCGCACAGATGCG | Top strand TGT probe |
56 pN TGT | 5' Biosg/TTTTTT/iUniAmM | CGCATCTGTGCGGTATTTCACTTT | Bottom strand TGT probe |
12 pN TGT | 5' AmMC6/ 3' BioTEG | CGCATCTGTGCGGTATTTCACTTT | Bottom strand TGT probe |