Talin mechanosensing in the regulation of adhesion complex composition and function

Abstract

Kaikkiin eläviin organismeihin ja niitä muodostaviin yksittäisiin soluihin kohdistuu jatkuvasti erilaisia mekaanisia voimia. Jotkut näistä voimista ovat ulkoisia, kuten maan painovoima tai ilmassa kulkevat ääniaallot, kun taas jotkut voimat ovat solujen itsensä tuottamia. Nykyään on selvää, että solut voivat aistia mekaanisia voimia, tai signaaleja, mekanotransduktioksi kutsutun prosessin avulla. Mekaanisten signaalien tiedetäänkin säätelevän useita keskeisiä solubiologian prosesseja, kuten solujen kasvua ja erilaistumista. Tästä huolimatta useimmat mekaanisia voimia aistivat solun rakenteet eli mekanosensorit ovat edelleen varsin huonosti tunnettuja.

Taliini on solun ja soluväliaineen välisten adheesioiden keskeinen rakenneproteiini. Taliini yhdistää adheesioreseptori integriinit solun aktiinitukirankaan, minkä lisäksi taliinin on osoitettu toimivan yhtenä solun mekanosensoreista. Tässä väitöskirjassa esitellyissä tutkimuksissa selvitettiin niitä mekanismeja, joiden avulla taliini osallistuu mekaanisten voimien aistimiseen soluissa. Havaitsimme, että taliinin R3 alayksikön rakenteellinen kestävyys säätelee sen signalointiaktiivisuutta solussa, mikä heijastuu edelleen muun muassa solun voimantuoton ja solumigraation säätelyyn. Lisäksi näytimme, että taliinin R8 alayksikön aukilaskostuminen säätelee sen vuorovaikutusta Deleted in liver cancer-1-proteiinin kanssa, muodostaen näin aiemmin tuntemattoman voimasäädellyn solun signalointikytkimen. Lisäksi tutkimme taliinin tehtäviä adheesion rakenneproteiinina ja mekanosensorina hyödyntämällä rakenteeltaan ja toiminnaltaan muokattuja taliiniproteiinin muotoja. Näiden työkalujen avulla havaitsimme, että sekä mekaanisten voimien välittäminen että taliinin aukilaskostuminen säätelevät adheesiodynamiikkaa ja solun signalointia. Nämä tulokset osoittavat, että taliinivälitteinen mekaanisten voimien aistiminen tapahtuu soluissa useilla rinnakkaisilla ja toisiaan täydentävillä mekanismeilla.

Työn viimeisessä osassa tutkimme taliini- ja vinkuliinigeenien ilmentymistä ateroskleroottisissa plakeissa. Havaitsimme, että taliinin alentunut ilmentyminen on yleinen piirre ateroskleroottisissa plakeissa ja voi osaltaan vaikuttaa taudin etenemiseen. Lisäksi konfokaalimikroskopian avulla havaitsimme taliinin ilmentymisen olevan erityisen alhaista plakin tunica intimassa, mikä saattaa vähentää plakin mekaanista kestävyyttä ja altistaa sen repeämiselle.

All living organisms, and the cells they are composed of, are constantly subjected to a variety of mechanical forces. Some of these forces are external, such as the gravity of the Earth or sound waves transmitted through the air, while some forces are generated by the cells themselves. It is now acknowledged that all cells can sense mechanical forces, or signals, through a process called mechanotransduction. Accordingly, mechanical signals are known to regulate many cellular processes, including growth, proliferation and differentiation. However, many of the molecular mechanisms sensing these ubiquitous cellular signals are still poorly understood.

Talin is a central scaffold protein in integrin-mediated cell adhesions. Talin connects integrin adhesion receptors to the actin cytoskeleton and functions as a cellular mechanosensor. In the work presented here, we investigated the mechanisms mediating talin mechanosensing in cell-matrix adhesions. By modulating the structural and functional properties of talin R3 and R8 subdomains we were able to investigate the mechanisms by which talin rod domain unfolding regulates different cellular functions. We found that the mechanical stability of the R3 subdomain determines its activity in the regulation of many downstream processes, such as traction force generation and cell migration. In addition, we demonstrated that the force-regulated unfolding of the R8 subdomain regulates its interactions with Deleted in liver cancer-1 (DLC1) protein, and they thus constitute a novel force-regulated signaling switch in adhesion complexes. Furthermore, by designing modified talin forms with altered structural properties we dissected the roles of the talin rod domain as a structural scaffold and as a regulator of adhesion signaling. We found that both talin mechanotransmission and mechanotransduction contribute to the regulation of adhesion dynamics and phosphotyrosine signaling. The results presented in here demonstrate that talin mechanosensing is a robust process mediated by multiple parallel mechanisms.

In the last part of this work we investigated the expression levels of talin and vinculin transcripts in atherosclerotic plaques. We found that decreased talin and vinculin expression is a general feature of atherosclerotic plaques and may contribute to the progression of the disease. Furthermore, confocal microscope imaging revealed a loss of talin expression in the plaque tunica intima, which may compromise the mechanical stability of the plaque and make it susceptible to rupture.