Cell | 武汉大学团队通过ForceChrono探针揭示细胞力传递“时间密码”的新视角

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来源：生物探索 2024-06-08 12:49
) a- _; \3 G& M该研究设计了一种力同步探针，它结合了两个具有不同力阈值和荧光团的DNA发夹探针。该设计引入了一种用于力测量的分层系统，克服了传统的基于DNA发夹的张力探针只能报告力阈值的局限性。
5 L+ C' P9 p9 s4 }) |. W武汉大学刘郑、李洪云及张兴华共同通讯在Cell 在线发表题为“DNA-based ForceChrono probes for deciphering single-molecule force dynamics in living cells”的研究论文，该研究开发了基于DNA的力同步探针来测量活细胞内单分子水平的力大小、持续时间和加载率。力同步探针通过在动态细胞环境中进行直接测量，规避了体外单分子力光谱的局限性。4 N! x5 J$ U- R( X# \/ |3 D- |
该研究结果表明，整合素力加载速率为0.5-2 pN/s，持续时间从新生黏附的数十秒到成熟黏附的约100秒不等。探针的稳健和可逆设计允许连续监测这些动态变化，因为细胞经历形态转变。此外，通过分析突变、缺失或药物干预如何影响这些参数，可以推断出特定蛋白质或结构域在细胞机械转导中的功能作用。力同步探针提供了机械力动力学的详细见解，促进了人们对细胞力学和机械转导的分子机制的理解。
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在过去的十年中，各种类型的固定化分子荧光张力探针已经成为机械生物学的革命性工具，提供了一个详细的镜头，通过它可以在分子水平上观察和量化细胞力的大小。值得注意的例子包括整合素介导的力转导，T细胞受体(TCR)力的动力学，和细胞刚性感知的机制。这些研究不仅量化了细胞力的大小特征，而且强调了它们在驱动机械力转导机制中的关键作用。尽管在测量力大小方面取得了这些成就，但该领域在捕获“时间代码”(力持续时间和LR)方面仍然面临挑战，这对于全面理解机械转导的动力学至关重要。/ m6 b/ k; x! g4 H1 f/ u
了解力传递的持续时间在机械生物学中是至关重要的，因为它直接影响与力相关的下游机械和生化信号过程的参与时间。没有对力持续多长时间的了解，人们对机械转导的掌握仍然不完整。这种持续时间不仅决定了信号级联的活动时间，还影响了关键的分子事件，如张力敏感蛋白结构域的构象变化和蛋白质-蛋白质相互作用的动力学，强调了力持续时间在细胞对机械刺激的反应机制中的重要作用。
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模式图（Credit: Cell）! k' V3 Z; C! |* u+ q% g0 w0 ~
LR可以决定蛋白质如何展开、激活，甚至与其他分子相互作用，从而决定细胞对机械刺激的即时反应。此外，当使用单分子工具探测整合素-细胞外基质(ECM)键的强度时，每次实验都在不同的LR上施加一个力，范围从40到23106 pN/s。如此大的范围常常导致研究人员粗略地假设LRs或报告一系列速率来解释观察到的现象，从而在理解细胞力学方面造成混乱。最近，JoM.等人介绍了一种超拉伸张力传感器，能够量化0.5至4 pN范围内的整合素力LRs，在不同的细胞类型中略有不同。) q: f+ Z* |* V7 S4 C3 \
然而，测量施加力的持续时间，探索细胞扩散过程中力持续时间和LR的演变，以及阐明它们与活细胞中力大小的关系的能力仍然是一个重大挑战。因此，准确地理解和量化这些参数—机械转导的时间编码—是至关重要的，这不仅是生物物理学的好奇心，也是解开机械力作用下分子复杂舞蹈的必要条件。
# Z) W1 i1 {3 q4 g/ s2 D' [% m该研究设计了一种力同步探针，它结合了两个具有不同力阈值和荧光团的DNA发夹探针。该设计引入了一种用于力测量的分层系统，克服了传统的基于DNA发夹的张力探针只能报告力阈值的局限性。通过采用这种多层次的方法，不仅可以量化分子力的大小，还可以更深入地了解活细胞中的单分子力动力学。7 c4 k# s0 g0 B* a, v8 n0 h8 p
通过使用ForceChrono探针，揭示了机械转导所必需的时间代码，包括整合力传递的持续时间及其在不同力范围内的LR。值得注意的是，积分力持续时间与力大小正相关。此外，对细胞骨架和局灶黏附(FA)相关蛋白如何调节这些时间代码的探索揭示了所涉及的复杂调节网络。该研究证明了基于DNA的力同步探针在单分子水平上阐明整合素力的复杂动力学的独特能力，为支持细胞机械转导的分子机制提供了新的见解。
9 H, M7 P6 t  x1 a. q) ?武汉大学高等研究院胡钰茹博士、李洪云博士（已毕业，现为美国宾州州立大学博士后）、生命科学学院张晨博士和高等研究院博士生冯晶晶为论文的共同第一作者，武汉大学高等研究院/泰康生命医学中心刘郑教授、李洪云博士以及武汉大学生命科学学院张兴华教授为该论文的通讯作者。# o, n4 R+ h2 r' X" \) M5 f
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