收縮力主要來自于貼壁細(xì)胞中肌動(dòng)球蛋白束和應(yīng)力纖維或是非貼壁細(xì)胞中的皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。多項(xiàng)證據(jù)表明，肌動(dòng)蛋白絲束與網(wǎng)絡(luò)中的其他部分能夠形成相互連接且可相互轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)。目前，在整個(gè)細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)局部力的產(chǎn)生和傳遞的機(jī)制仍然有待探索。然而，受到技術(shù)限制，想要在操縱整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)在整個(gè)細(xì)胞水平上測(cè)量對(duì)力產(chǎn)生的影響依舊困難重重。
應(yīng)力纖維（stress fiber）是真核細(xì)胞中廣泛存在的微絲束結(jié)構(gòu)，它主要由兩種類型的肌動(dòng)蛋白纖維，周向弧狀纖維（transverse arc）和徑向纖維（radial fiber）相互作用與融合而成。因此，肌動(dòng)球蛋白網(wǎng)絡(luò)由內(nèi)部互連的伸縮單元組成，這些單元橫跨整個(gè)細(xì)胞質(zhì)，并在細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)距離傳輸機(jī)械力。實(shí)驗(yàn)表明，沿著特定肌動(dòng)球蛋白束的定向力能夠傳播到互連的其他束中。因此應(yīng)力纖維中的張力不僅取決于在該纖維中產(chǎn)生的力，而且還取決于相鄰纖維的連接和取向。肌動(dòng)球蛋白束之間的這種高度互連可以在細(xì)胞水平上提供機(jī)械連貫性。但是，目前尚不清楚力是如何在應(yīng)力纖維之間傳遞的。
近日，法國Grenoble-Alpes大學(xué)的Manuel Théry、Laetitia Kurzawa和Paris Diderot大學(xué)的Manuel Théry合作，通過結(jié)合使用水凝膠微圖案，牽引力顯微鏡和激光燒蝕等技術(shù)，測(cè)量了響應(yīng)局部光燒蝕的牽引力松弛，探討了這些互連對(duì)整個(gè)細(xì)胞中牽引力產(chǎn)生和分布的機(jī)械影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和建模數(shù)據(jù)表明，絲束完全嵌入到皮質(zhì)細(xì)絲的連續(xù)可收縮網(wǎng)絡(luò)中。而且，這些束的收縮在整個(gè)細(xì)胞中的傳播依賴于這種嵌入模式。此外，這些絲束似乎是來自周圍網(wǎng)絡(luò)中薄而未連接的皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白絲的排列和聚結(jié)。該研究以題為“Stress fibres are embedded in a contractile cortical network”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Materials》上。
【應(yīng)力纖維提供高收縮力】
作者將細(xì)胞涂聚丙烯酰胺水凝膠上制成的啞鈴形或藥丸形微圖案上，來探究肌動(dòng)蛋白束的存在是否會(huì)影響牽引力的大小和分布。啞鈴形的微圖案能夠促進(jìn)細(xì)胞中兩種應(yīng)力纖維的組裝，而藥丸形的微圖案能夠促進(jìn)更加均勻的肌動(dòng)蛋白細(xì)絲網(wǎng)絡(luò)的形成（圖1a，b）。使用牽引力顯微鏡測(cè)量二者產(chǎn)生的收縮力。結(jié)果顯示，包含應(yīng)力纖維（啞鈴形微圖案）的細(xì)胞所產(chǎn)生的機(jī)械能比不含應(yīng)力纖維的細(xì)胞（藥丸形微圖案）產(chǎn)生的機(jī)械能高得多（圖1c，d ）。這意味著應(yīng)力纖維對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生和傳遞力的大小起著主要作用。
圖1 應(yīng)力纖維對(duì)細(xì)胞牽引力大小的影響
通過局部脈沖激光燒蝕將應(yīng)力纖維切斷了一半，并通過在水凝膠基底來捕獲纖維中張力的釋放（圖1e）。?實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明一條纖維釋放出的能量約為細(xì)胞產(chǎn)生的總機(jī)械能的25％（圖1e，f），遠(yuǎn)低于預(yù)期的50％，意味著細(xì)胞總機(jī)械能并不是應(yīng)力纖維能量的簡(jiǎn)單相加。
【應(yīng)力纖維與周圍肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)互連】
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這些應(yīng)力纖維不是孤立的，而是相互連接的可伸縮單元。當(dāng)應(yīng)力纖維被切斷時(shí)，這些單元會(huì)抵抗這種變形（圖2a-c）。
重要的是，與傳統(tǒng)的應(yīng)力纖維僅拉動(dòng)局部粘連的觀點(diǎn)相反，應(yīng)力纖維與鄰近肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架元素的連接表明在纖維被激光切斷后，纖維的張力被重新分配到周圍的網(wǎng)絡(luò)中。因此，被切斷的纖維的其余部分仍然處于張力之下（圖2d,e）。
研究表明，外圍應(yīng)力纖維與內(nèi)部其他纖維的分離連接會(huì)影響纖維在切斷后的松弛圖案。然而，作者觀察到的切斷的外周應(yīng)力纖維的不完全松弛圖案與內(nèi)部纖維的相互連接并沒有系統(tǒng)的聯(lián)系。基于此，作者提出假設(shè)：應(yīng)力纖維被連接到了低密度且廣泛的肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)中（圖2f-h）。
圖2 應(yīng)力纖維被連接到周圍肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)中
【對(duì)嵌入彈性網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)力纖維建?！?/strong>
為了研究這種嵌入在皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的肌動(dòng)蛋白纖維網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，作者創(chuàng)建了一個(gè)新的生物物理模型。在這個(gè)模型中，應(yīng)力纖維并沒有連接到細(xì)胞外基質(zhì)，而是連接到相鄰的皮層網(wǎng)（圖3a）。
模型還準(zhǔn)確地解釋了從模擬激光燒蝕部位遠(yuǎn)端纖維收縮的情況（圖3c）。并捕獲了同一根纖維二次激光切斷后額外的能量釋放（圖3d）。
在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力纖維被切斷后兩個(gè)部分的張力釋放上是不相等的。相比之下,一個(gè)孤立的應(yīng)力纖維卻會(huì)釋放等量的兩端張力。這表明，皮層網(wǎng)不僅影響牽引力的大小，而且影響牽引力產(chǎn)生的空間分布（圖3e）。由于模型的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的另一半細(xì)胞在纖維光燒蝕后牽引力損失之間存在著差異（圖3f，g），作者決定進(jìn)一步研究皮層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械性質(zhì)。
圖3彈性網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)力纖維模型
【模型修改，皮質(zhì)網(wǎng)也是可收縮的】
與外圍應(yīng)力纖維的燒蝕相比，皮質(zhì)網(wǎng)的局部燒蝕并沒有釋放可觀的能量。然而，應(yīng)力纖維的消除（即皮質(zhì)網(wǎng)的縱向光燒蝕），卻導(dǎo)致了收縮能量的顯著釋放（圖4a,b）。這意味著皮層網(wǎng)絡(luò)積極地參與了牽引力的產(chǎn)生。
基于此作者對(duì)初始的模型進(jìn)行了修改，將收縮性作為皮質(zhì)網(wǎng)的一個(gè)函數(shù)（圖4c），實(shí)現(xiàn)了理論模型與實(shí)驗(yàn)觀察更加吻合，驗(yàn)證了應(yīng)力纖維和皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)都是彈性可收縮的假設(shè)。因此，應(yīng)力纖維和皮層網(wǎng)絡(luò)可能并不是離散互連的不同網(wǎng)絡(luò)，而是單個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)的一部分，其中肌動(dòng)球蛋白陣列的結(jié)構(gòu)和力學(xué)在空間上是不同的。
圖4 皮質(zhì)收縮網(wǎng)絡(luò)
【皮質(zhì)網(wǎng)與應(yīng)力纖維形成了連續(xù)體】
進(jìn)一步的研究顯示，應(yīng)力纖維通過多條纖維連接到覆蓋在質(zhì)膜上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中（圖5a），并不是一個(gè)孤立結(jié)構(gòu)，但是與胞質(zhì)網(wǎng)狀組織形成了連續(xù)結(jié)構(gòu)（圖5b）。隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡下，可以看到應(yīng)力纖維完全纏繞在皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，而不是兩個(gè)截然不同的相互疊加的網(wǎng)絡(luò)（圖5c,d）。此外，盡管應(yīng)力纖維和皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不同，但是他們共享幾個(gè)參與收縮調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子（圖5e）。
圖5 應(yīng)力纖維完全嵌入到周圍的肌動(dòng)蛋白皮質(zhì)中
實(shí)時(shí)成像技術(shù)顯示，盡管細(xì)胞沒有移動(dòng)，但是肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)顯示出永久性的重組，證實(shí)了之前提出的細(xì)胞質(zhì)束可以與外圍纖維融合或分離這一假設(shè)（圖6a）。有趣的是，在束密度較低的區(qū)域，能夠在皮質(zhì)網(wǎng)中觀察到新束的形成（圖6c）。這種側(cè)向擴(kuò)張和伸展進(jìn)一步支持了與相鄰皮層網(wǎng)的收縮性相關(guān)的側(cè)向力的存在。
束的擴(kuò)展和合并有時(shí)會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)連續(xù)結(jié)構(gòu)的形成，在這種結(jié)構(gòu)中，幾乎無法將單個(gè)束區(qū)分開來(圖6e)。這表明，應(yīng)力纖維不僅與皮層網(wǎng)相連接，而且可能源于皮層中纖維的結(jié)合，這一組裝過程進(jìn)一步解釋了它們完全嵌入這個(gè)網(wǎng)的原因(圖6f)。
圖6 胞質(zhì)束在皮質(zhì)網(wǎng)中的出現(xiàn)與遷移
總結(jié)：作者揭示了細(xì)胞內(nèi)力的產(chǎn)生與傳遞機(jī)制，證明了應(yīng)力纖維完全嵌入到收縮的皮層肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)中，而不是獨(dú)立的或是與其他應(yīng)力纖維有離散互連結(jié)構(gòu)。這種應(yīng)力纖維和皮質(zhì)細(xì)絲的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)機(jī)械連續(xù)體。由應(yīng)力纖維產(chǎn)生的收縮力不僅表現(xiàn)在應(yīng)力纖維錨點(diǎn)上，而且還通過皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳播到整個(gè)細(xì)胞。此外，作者還證明了皮質(zhì)網(wǎng)的收縮積極地促進(jìn)了牽引力傳遞到局部粘連，從而影響了細(xì)胞收縮能量的總體大小。
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