Investigación
During cell adhesion to the extracellular matrix (ECM) force is generated in the focal adhesion complex (left). Stretching forces on FAK (containing a FERM and kinase domain) were mimicked in an atomic force microscopy (AFM) setup by attaching FAK molecules via tags to the AFM cantilever and surface (middle). Overlays of resulting force-extension curves into heatmaps detects several unfolding events (k1, k2a, f1a) and rupture of the autoinhibitory FERM/kinase interface (Int), (right panels). The latter is only observed in WT-FAK but not a conformationally activated mutant (FAK-Act).
15 Mar 2019
Nuevos descubrimientos sobre el mecanismo de detección de fuerzas durante la migración celular
Una nueva publicación del Dr. Daniel Lietha, recientemente incorporado al Departamento de Biología Estructural y Química en el Centro de Investigaciones Biológicas con una línea de investigación centrada en la Señalización y Adhesión Celular, ha brindado información sobre la estructura y el mecanismo de detección de fuerzas que activan la migración celular. Este estudio, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), se realizó en el laboratorio que el Dr. Lietha dirigía en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) y forma parte de una colaboración internacional con los grupos de Hermann Gaub (LMU, Alemania) y Frauke Gräter (HITS, Alemania).
Durante la migración de células madre mesenquimales, las células se adhieren a la matriz extracelular a través de los receptores de integrina, que dentro de la célula se acoplan al citoesqueleto de actina a través de un macrocomplejo de proteínas conocido como complejo de adhesión focal. La contracción de las fibras de actina durante la migración celular genera fuerzas de tensión en este complejo que desencadenan importantes cascadas de señalización que controlan tanto la migración celular como la supervivencia. Este proceso es muy relevante durante la invasión de un tumor, ya que los ambientes rígidos del tumor promueven la generación de grandes fuerzas en el complejo de adhesión focal, lo que resulta en una sobreactivación de las señales de migración que contribuyen a una alta invasividad del tumor y a la metástasis. La quinasa de adhesión focal (FAK) es un componente de señalización clave en las adhesiones focales que se activa con la generación de fuerzas sobre las adhesiones focales, y una elevada señalización de FAK se ha asociado a la invasión de tumores y la metástasis. Sin embargo, las bases moleculares para la activación mecánica de las señales de adhesión focal o si es FAK la molécula “sensora” o se activa posteriormente, son factores que siguen siendo desconocidos.
Bauer et al. han investigado en este trabajo las propiedades mecánicas de FAK para proporcionar una respuesta a esta pregunta estudiando si las fuerzas aplicadas a las moléculas de FAK, como ocurre en el complejo de adhesión focal, resultan en la activación de FAK. Mediante ingeniería de proteínas, los autores equiparon a las moléculas de FAK con etiquetas adecuadas que permiten unirlas a un microscopio de fuerzas atómicas (AFM) en una geometría nativa (Figura, panel central). Las medidas a nivel de una-sola-molécula para registrar perfiles de fuerza-extensión con precisión de piconewton y nanómetros se obtuvieron con un equipo altamente especializado desarrollado en el grupo del Dr. Gaub. Al superponer cientos de estos perfiles de molécula única en un mapa de calor, se pueden detectar las características recurrentes en el paisaje de fuerza de la molécula FAK (Figura, panel derecho). Mientras que a fuerzas mayores se pueden observar eventos reproducibles de desplegado de varias subestructuras de FAK, los autores también detectaron un pico de fuerza bajo en el rango de piconewtons antes del desplegamiento proteico, que comparado con una forma permanentemente activada de FAK, puede asignarse a la activación conformacional de FAK. La fuerza y extensión de este evento encajan bien con el escenario esperado para el complejo de adhesión focal.
Además, para obtener una visión a nivel atómico de la mecano-activación de FAK, este proceso fue reproducido mediante simulaciones de dinámica molecular de fuerza-sonda por el grupo del Dr. Gräter. Las simulaciones concuerdan con las observaciones experimentales y proporcionan información mecanicista detallada sobre la activación de FAK inducida por la fuerza aplicada.
Referencia: Structural and mechanistic insights into mechanoactivation of Focal Adhesion Kinase. Magnus Sebastian Bauer, Fabian Baumann, Csaba Daday, Pilar Redondo, Ellis Durner, Markus Andreas Jobst, Lukas Frederik Milles, Davide Mercadante, Diana Angela Pippig, Hermann Eduard Gaub, Frauke Gräter, and Daniel Lietha. PNAS (2019). DOI: https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1820567116