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稳态膜张力通过抑制杆状蛋白组装抑制癌细胞的扩散

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发表时间:2021-10-19 10:23作者:武汉新启迪Xinqidibio

摘要

恶性肿瘤的发生与细胞力学的变化有关,细胞力学的改变会导致转移扩散所需的广泛的细胞变形。我们假设维持上皮细胞力学的细胞内在物理因子可以作为肿瘤抑制因子发挥作用。我们用光镊、基因干扰、机械干扰和体内研究表明,上皮细胞比转移细胞保持更高的质膜张力,高PM张力通过抑制膜曲率传感/生成bar家族蛋白而有效地抑制癌细胞的迁移和侵袭。这种张力稳态是通过ERM蛋白调控的膜到皮质附着(Mca)来实现的,ERM蛋白的破坏会自发地将上皮细胞转化为由bar蛋白驱动的间充质迁移表型。因此,上皮间充质转换(EMT)诱导转录因子的强制表达导致PM张力降低.在转移细胞中,通过操纵MCA来增加PM张力足以抑制间充质和阿米巴样的三维迁移、肿瘤的侵袭和转移,从而破坏BAR蛋白介导的机械信号传递,从而揭示以前未描述的机械性抑癌机制。

导言

虽然转移是癌症相关死亡的主要原因,但我们对肿瘤传播的主要决定因素的了解是有限的。1。从生物物理的角度来看,长期以来人们一直认为细胞力学的变化是转移扩散的一个组成部分,因为癌细胞必须经历广泛的变形才能通过组织迁移并进入血管。2,3,4,5,6。纳米技术的最新进展揭示了恶性细胞的“机械特征”,这表现在细胞硬度的降低与侵袭性和转移效率的提高之间有很强的相关性。5,6,7,8,9,10,11,12。这表明,细胞力学的遗传变化,应该是由恶性进展引起的,是转移过程的关键。相反,上皮细胞可能已经有维持机械稳态的策略,这可能是一个内源性的抑癌剂。然而,转化为恶性表型的关键细胞内在物理参数尚不清楚,这限制了我们对致癌信号与细胞力学失调之间的联系,以及如何通过机械转换(机械传导)来调节癌细胞运动的认识。

细胞运动是转移扩散的基础。13。利用三维环境进行的最新研究表明,恶性细胞表现出两种不同的侵袭性迁移模式,即间充质迁移和阿米巴样迁移。14,15,16,17。间充质迁移呈梭形,依赖于Arp 2/3复合物依赖性分支肌动蛋白聚合所推动的PM突起。相比之下,变形虫的迁移,其特征是圆形的形态,是高度不均匀的,并显示出肌动蛋白为基础的突出和收缩驱动的膜泡。重要的是,这两种迁移模式是可以相互转换的:癌细胞可以在这两种移动模式之间进行主动切换,甚至表现出两者的混合表型。16,18,19。这种可塑性和复杂性被认为是制定限制肿瘤侵袭和扩散的治疗策略的主要障碍。16,17,20.

质膜(Pm)通过连接蛋白Ezrin、Radisin和moesin家族蛋白与肌动蛋白(Actin)可逆地结合在一起,从而使细胞膜力学本质上依赖于膜皮层附着程度(Mca)。21,22,23,24。事实上,粉末冶金的张力主要是由这种复合材料结构决定的。25,26,27,28,在细胞形状变化和运动中起着至关重要的作用。26,29,30,31,32,33。由于紧张的膜能抵抗细胞膜的变形,因此假设PM张力不利于任何膜突起的形成。21,29,31,34。这导致我们假设PM中的张力稳态可能是一种内在的机械特性,使上皮细胞处于非运动状态,如果在恶性细胞环境中恢复,这种机制可以作为一种强有力的转移抑制因子发挥作用。

在这里,我们使用光镊、基因干扰、癌症基因组数据、机械扰动和体内研究,通过对抗机械敏感棒蛋白,将稳态PM张力作为肿瘤细胞传播的一种机械抑制物。我们证明,降低PM张力是恶性细胞的机械标志,无论它们是显示间充质还是阿米巴样运动模式。维持较高的PM张力足以抑制这种三维迁移模式、肿瘤的侵袭和转移,但原则上对非致瘤细胞没有影响。这项工作为以癌细胞细胞膜力学为靶点治疗转移癌的新的精确治疗策略铺平了道路。

结果

上皮细胞比恶性上皮细胞具有更高的PM张力。

为了确定上皮细胞与转移细胞之间的PM张力是否存在差异,我们使用光镊分析了与PM张力成正比的膜系力。21,22,23,24(补充图。1A)。我们主要使用人类非侵袭性乳腺上皮细胞(MCF10A)和转移性乳腺癌细胞(MDA-MB-231),因为它们是一种常用的恶性转变模型。为了避免细胞外效应,如细胞与细胞的接触,我们在单细胞水平上测量了系绳力。我们发现MCF10A细胞的束缚力与低侵袭性的人乳腺癌细胞相当(AU 565和MCF 7;图1)。1A)。与这些低侵袭细胞不同,转移性乳腺癌细胞,如MDA-MB-231和Hs578T细胞,在未涂覆的玻璃基质上培养时,会形成明显的膜皱褶和泡(补充图)。1B和补充电影1)。有趣的是,我们发现皱褶细胞和滤泡细胞之间的系绳力没有差别,而且它们的系绳力明显低于它们的低运动能力细胞(图1)。1A)。在侵袭性前列腺癌细胞(PC-3)和胰腺癌细胞(PANC-1;图1)中也得到了类似的结果。1A)。PM张力在转移细胞中大约比低运动细胞低两倍(补充图)。1C)。维持PM张力高于恶性细胞的能力似乎是不同物种和组织的上皮细胞的共同特征,因为正常上皮细胞如犬肾MDCKⅡ细胞和大鼠肝脏IAR-2细胞的束缚力与MCF10A细胞相似(图1)。1A和补充图。1C).

图1:非侵袭性细胞的质膜张力高于转移细胞.

a比较指示细胞系绳力的散点图。n=35(MCF10A),n=24(MDCK II),n=31(IAR-2),n=23(AU 565),n=23(MCF 7),n=24(MDA-MB-231有皱褶),n=14(MDA-MB-231有起泡),n=21(Hs578T带皱褶),n=13(带有气泡的Hs578T),n=19(PC-3有皱褶),n=14(带有气泡的PC-3),n=24(PAC-1)细胞由三个独立实验组合而成。平均±SDb用抗磷酸化ERM抗体和phalloidin染色的细胞共聚焦图像。黄色和洋红色箭头分别表示肌动蛋白和泡状突起。另见附图。1E. c量化(b)。PERM与F-肌动蛋白的膜/胞质强度比n=30(MCF10A),n=26(8月565),n=24(MDA-MB-231有皱褶),n=20(MDA-MB-231有起泡),n=22(带有褶皱的Hs578T),以及n=18(Hs578T伴泡)细胞由三个独立实验组合而成。平均±SD**P=0.0073;*P=0.0014。d左为MCF10A或MDA-MB-231细胞共聚焦图像,用抗PERM抗体、phalloidin和麦胚凝集素(WGA)在三维胶原基质(3D)中染色。用WGA标记质膜(PM)。对,最大强度投影(MIP)的共焦堆栈。黄色和洋红色箭头分别表示肌动蛋白和泡状突起。e量化(d)和附图。1g。PERM与F-肌动蛋白的膜/胞质强度比n=24(MCF10A),n=16(AU 565),n=15(MDA-MB-231,拉长),n=12(MDA-MB-231,以肌动蛋白为基突起),n=17(MDA-MB-231,带气泡的四舍五入),和n=17(Hs578T)细胞由三个独立实验组合而成。平均±SD单因素方差分析与Tukey多重比较检验的显着性(a)和双尾曼恩-惠特尼试验(c, e)。注:不显著;*P < 0.0001. All scale bars, 10 µm.

PM张力来自脂质双层和MCA的平面张力。1D)。考虑到PM张力在很大程度上取决于MCA25,26,27,我们主要研究PM下的ERM蛋白和F-actin。ERM蛋白是通过对保守的苏氨酸残基进行磷酸化而激活的。35。我们观察到,MCA10A和AU 565细胞有强烈的磷酸化ERM(PERM)信号全球修饰PM,在那里他们部分共同定位于F-actin(图一)。1B,c和补充图。1E,f)。相比之下,MDA-MB-231和Hs578T细胞的膜相关PERM和F-actin水平总体上较低,无论它们表现为膜皱褶还是滤过泡,部分PERM水平仅限于细胞后方,并可能缩小泡泡(图1)。1B,c和补充图。1E,f)。与这些2D观察一致的是,共聚焦和重建的3D图像显示,嵌在胶原基质(3D)中的MCF10A和AU 565细胞始终呈圆形,PM下方有均匀而强烈的PERM和F-actin水平(图)。1D,e和补充图。1g,h)。Mda-mbb-231细胞在3d中表现出肌动蛋白基拉长的间充质和肌动蛋白和泡状圆形变形虫的迁移表型。19(无花果)1D和补充图。)。在这两种情况下,膜近端PERM和F-actin显示整体水平下降(如图所示)。1D,e)。类似地,Hs578T细胞,主要表现为肌动蛋白为基础的拉长表型在3d(补充图)。1g,h),给出了一致的表型。1E)。这些结果表明,观察到的非运动细胞与侵袭细胞之间PM张力的差异主要是由于ERM介导的MCA改变所致,而这种机械性破坏与侵袭性表型相关,而与突起类型和运动模式无关。

当PM张力降低时,上皮细胞自发转化为间充质迁移表型。

上述发现促使我们推测,降低PM张力可能足以使上皮细胞获得侵袭性行为。为了测试这一点,我们通过同时击倒三个ERM成员(Ezrin、Radixin和Moesin)或他们的特定激酶(SLK和STK 10[也称为乐])来操纵MCA。36(补充图。2A)。我们还关注rha,因为它被认为是这些ERM激酶的上游调控者。37(补充图。1D)。自相矛盾的是,尽管RHOA在细胞迁移中起着关键作用,但据报道RHOA在细胞侵袭和转移中起着抑制作用。38,39。值得注意的是,这些蛋白质在MCF10A细胞中的敲除导致了系绳力的显著下降(补充图)。2B),对应于PM张力的下降(如图所示)。2A)。值得注意的是,磷酸化肌球蛋白轻链(PS19MLC)是肌球蛋白II激活的标志,在ERM和SLK+STK 10缺失细胞中不受影响(补充图1)。2C表明所观察到的PM张力的差异主要是由于MCA的改变,而不是Actomyosin收缩力的改变。这些被击倒的细胞表现出膜相关的PERM和F-actin的整体水平下降,伴随着细胞的扩散和显著的肌动蛋白基突起,如层板和膜皱褶在2D(图1)。2B,箭头,c,附图。二维空间和补充电影2)。接下来,我们评价了胶原蛋白和基质的混合物在三维顶部培养系统中降低PM张力的效果。40。正如预期的那样,控制细胞形成了完美的圆形球体。40(无花果)二维空间)。值得注意的是,超过60%的低张力细胞表现出一种拉长的侵袭性表型,表现为细胞向周围基质的扩散(如图所示)。二维空间)。这些细胞持续地表现出明显的运动行为,包括通过狭窄间隙的侵袭和限制迁移(图1)。2E,f)。观察到的侵袭性表型似乎独立于经典的EMT程序,因为这些低张力细胞保留了上皮特征(补充图)。2C),而E-cadherin的耗竭导致了对侵袭和迁移的轻微但显著的抑制(见图)。2E,f)。低侵袭性乳腺癌细胞中ERM蛋白的缺失也导致侵袭性急剧增加(附图)。2E)。MCA降低不影响MCF10A细胞的增殖(附图)。2F).

图2:在2D和3D环境中,PM张力降低将上皮细胞转化为间充质迁移表型。
figure2

a比较指示RNAi处理的MCF10A细胞PM张力的散点图。n=60(SI-控制),n=40(si-RHOA),n=28(si-ERM),以及n=25(si-SLK+STK 10)细胞由三个独立实验组合而成。平均±SDb所指示的RNAi处理的MCF10A细胞共聚焦图像,用抗PERM抗体和phalloidin染色。黄色箭头表示以肌动蛋白为基础的突起。标尺,10米。c量化(b)。PERM与F-肌动蛋白的膜/胞质强度比n=29(si-控制),n=26(si-RHOA),n=19(si-ERM),以及n=28(si-SLK+STK 10)细胞由三个独立实验组合而成。平均±SDd用指示的RNAi处理MCF10A细胞的相位对比图像。图像是具有相似结果的三个独立实验的代表。标尺,20米。e图像(左)siRNA处理的MCF10A细胞入侵Matrigel和他们的量化结果(右)。n=3个独立实验的9个字段。平均±SD*P=0.0471。fSiRNA处理的MCF10A细胞经8m微孔迁移的定量研究。n=3个独立实验的9个字段。平均±SD**P=0.0011。g三维迁移表型的量化n=155(SI-控制),n=126(si-RHOA),n=128(si-ERM),以及n=123(si-SLK+STK 10)细胞。另见附图。2G和补充电影3. h用抗PERM抗体和phalloidin染色的MCF10A细胞共聚焦图像。黄色箭头表示以肌动蛋白为基础的突起。标尺,10米。i量化(h)。PERM与F-肌动蛋白的膜/胞质强度比n=20(SI-控制),n=14(si-RHOA),n=15(si-ERM),以及n=18(si-SLK+STK 10)细胞由三个独立实验组合而成。平均±SD使用双尾Mann-Whitney检验的显着性检验(a, c, i),双尾学生的t-测试(e, f),以及卡方检验(g). ****P < 0.0001.

我们进一步研究了粉末冶金张力降低对单细胞运动行为的影响。时间推移电影显示,大约95%的对照RNAi处理的细胞在嵌入胶原基质时呈圆形,呈单细胞非运动表型(见图)。2G,补充图。2G和补充电影3)。相反,MCA调节剂的敲除都导致了间充质的迁移表型的转换:大约50%的细胞表现为拉长的迁移表型,细胞形状的动态变化显示膜突起和收缩(图1)。2G,补充图。2G和补充电影3)。在这些被击倒的细胞中没有观察到以圆形为特征的变形虫样运动。在3D中,这种拉长的表型与PM下方较低水平的PERM和F-actin密切相关(图1)。2H,i)在转移细胞中观察到。这些数据表明,当PM张力降低时,非运动上皮细胞可自发地转化为间充质样运动表型。

PM张力降低与恶性进展的关系

我们注意到,降低PM张力所引起的细胞形态的拉长变化与EMT诱导的细胞形态变化非常相似。因此,我们认为PM张力稳态的破坏可能与恶性转化有关。为了验证这一假说,我们建立了稳定高表达蜗牛或鼻塞的MCF10A细胞株,这些转录因子强烈地诱导了EMT。41。如所料,这些细胞表现出EMT特征,包括基于肌动蛋白的突起形成。3A、箭头)及E-钙粘蛋白和波形蛋白表达的改变(附图)。3A)。有趣的是,蜗牛的表达导致膜相关的PERM和F-actin水平显著下降(图一)。3A,b)。此外,高表达蜗牛或鼻塞的MCF10A细胞的PM张力低于亲本细胞(图1)。3C)。MDCKⅡ细胞诱导表达的K-RAS激活突变体(G12V)也有类似的结果(附图).3B),它是已知的癌症进展和转移的关键驱动因素。42。在3D中,EMT诱导的拉长形态与改变的PERM和Actin染色模式密切相关,如2D(图1所示)。三维空间),表明PM张力的变化与侵袭性表型的获得密切相关。

图3:PM张力降低与恶性进展的相关性。

a抗PERM抗体和phalloidin染色的MCF10A或蜗牛表达细胞共聚焦图像。黄色箭头表示肌动蛋白基突起。标尺,10米。b量化(a)。PERM与F-肌动蛋白的膜/胞质强度比n=23(MCF10A)和n=25(蜗牛表达细胞)由三个独立实验组合而成。平均±SDc比较指示细胞的PM张力估计值的散点图。n=38(MCF10A),n=33(表达蜗牛的细胞),以及n=36(鼻塞状表达细胞)由三个独立实验组合而成。平均±SDd三维胶原基质中MCF10A细胞或蜗牛表达细胞的相位对比图像。图像是具有相似结果的三个独立实验的代表。标尺,20米。e用抗PERM抗体和phalloidin染色的MCF10A或蜗牛表达细胞的共聚焦图像。黄色箭头表示肌动蛋白基突起。标尺,10米。f量化(e)。PERM与F-肌动蛋白的膜/胞质强度比n=21(MCF10A)和n=21(蜗牛表达细胞)由三个独立实验组合而成。平均±SDgRHOA、SLK和STK 10在肿瘤基因组图谱(TCGA)数据(6586个样本)中的14种肿瘤类型的基因改变。hKaplan-Meier图显示乳腺癌、肺癌和胃癌患者的总体生存率,根据SLK+STK 10的mRNA表达进行分层。使用双尾Mann-Whitney检验的显着性检验(b, c, f)和双尾对数秩检验(h). ****P < 0.0001.

为了进一步阐明PM张力降低是否是癌症进展中的一个共同特征,我们使用癌症基因组图谱(Tcga)中的泛癌数据对癌症基因组进行了分析。43。令人惊讶的是,对6586例患者中14例主要癌的综合分析显示,上皮性肿瘤经常存在RHOA、SLK、STK 10和ERM的杂合子缺失(图1)。第三代和补充图。3C)。在肿瘤细胞株百科全书中的961个癌细胞株中也观察到了类似的趋势。44(CCLE;附图。三维空间)。此外,一项Meta分析显示ERM激酶的表达增加与乳腺癌、肺癌和胃癌患者的生存率之间存在显著的关联(图一)。3H)。这些数据表明稳态PM张力的破坏是恶性细胞常见的力学特征,可能与肿瘤的进展有关。

增加PM张力足以抑制3D迁移、肿瘤侵袭和转移。

我们假设,如果PM张力降低是获得迁移和侵袭的关键,增加MCA可能足以抑制癌细胞的扩散。因此,我们试图通过直接操纵MCA来增加PM张力。鉴于ERM蛋白在侵袭性癌细胞中与PM完全分离,我们推测m膜靶aCtive Ezrin(MA-Ezrin)可减轻PM张力。为了验证这一点,我们构建了一个MA-Ezrin结构,将LYN保守的肉豆蔻酰化序列与Ezrin融合,然后引入一个拟磷激活突变(T567E)。35,从而在整个PM中保持其活动状态(如图所示)。4A)。值得注意的是,它在MDA-MB-231细胞中的表达导致PM张力显著增加(如图所示).4A)。Ma-Ezrin在全球范围内定位于PM,导致显著的肌动蛋白和泡基膜突起的抑制(图1)。4B,c)。这些高张力细胞在体外表现出正常的细胞增殖能力(附图)。4A),但入侵和迁移明显减少(如图所示)。4D).

图4:增加PM张力足以抑制3D迁移和转移。

a膜锚定活性Ezrin的上,示意图轮廓。较低,散点图,比较估计的PM张力指示的细胞。n=26(父母),n=29(Ezrin),和n=31(MA-Ezrin)细胞由三个独立实验组合而成。b用抗HA抗体和phalloidin染色的细胞共聚焦图像。标尺,10米。c突出物的量化n=207(父母),n=224(Ezrin),和n=214(MA-Ezrin)细胞来自三个独立实验。d指示细胞迁移或侵袭率的量化。n=3个独立实验的9个字段。e三维时相对比图像(左)或最大强度投射(右;用phalloidin和WGA(滤泡细胞)染色)。标尺,20米(左)和10米(右)。f的三维迁移表型的量化n=176(父母),n=187(Ezrin),和n=175(MA-Ezrin)细胞来自三个独立实验。g所指示细胞的细胞中心体轨迹跟踪于(f)8小时。对,一个细胞在8小时内的平均速度。n=34(Ezrin)和n=44(MA-Ezrin)细胞由三个独立实验组合而成。h在乳腺脂肪垫内注射指示细胞后形成肿瘤。i典型的苏木精和伊红(H&E)染色切片的原发肿瘤和周围组织的小鼠注射指示的细胞。标尺,50米。j量化(i)。对位于肿瘤边缘的虚线盒中的肿瘤浸润面积进行量化。n=9区,每组3例。k定量PCR定量检测自发性肺转移。n=6只小鼠(父母),n=3(Ezrin),和n=6只小鼠(MA-Ezrin)。**P=0.0152;*P=0.0119。l尾静脉注药后肺组织全貌及肺切片(底部)H&E染色。标尺,250米。m量化(l). n=8只小鼠/组。***P=0.0002。在(b)和(e黄色和洋红色箭头分别表示肌动蛋白和鼓泡状突起。所有数据均以平均±SD表示。使用双尾Mann-Whitney检验的显着性检验(a, g, j, k, m),双尾学生的t-测试(d),以及卡方检验(c, f)。注:不显著;*P < 0.0001.

据报道,ERM活性也与皮质僵硬有关,至少在有丝分裂细胞周围是如此。45。我们发现,通常通过增加肌球蛋白Ⅱ活性来增加皮质硬度或张力的花萼素A对侵袭能力没有影响(补充图1)。4B),反映了由于收缩性变化而引起的癌细胞迁移的可塑性。16,17,46。此外,用甲基β-环糊精(Mβcd)处理细胞,这是一种能提高PM张力的除胆固醇化合物。23,47(补充图。4C)但降低了皮质刚度48,明显减少侵袭(附图)。4B),排除了皮质僵硬对抑制癌细胞迁移的潜在影响。

接下来,我们测试PM张力的增加是否会影响3D迁移。三维重建共聚焦图像显示,Ezrin表达细胞表现出不同的突起表型,如亲本细胞,MA-Ezrin表达细胞呈圆形,无突起形成。4E),使人联想到上皮细胞的特征。事实上,时间推移电影显示,父母和Ezrin表达的MDA-MB-231细胞表现出长时间的间充质运动(约20%),圆形变形虫运动和两种模式之间的表型转换(混合表型,50%)(图5)。4F,g,补充图。4D和补充电影4),如先前报告所述19。相反,大多数表达MA-Ezrin的细胞呈圆形,不迁移行为(80%),迁移速度明显降低(4倍以上)(图1)。4F,g,补充图。4E和补充电影4)。这些数据表明,增加PM张力足以抑制两种不同模式的三维偏移。

为了进一步研究维持高PM张力是否在抑制肿瘤细胞扩散中发挥积极作用,我们采用了人乳腺肿瘤形成、局部浸润和自发转移的原位小鼠模型。MA-Ezrin表达的MDA-MB-231细胞在乳腺脂肪垫内注射后,其致瘤能力降低,并产生明显较小的肿瘤(图一)。4H和补充图。4F),尽管它们在体外的增殖速度与亲本细胞相当(附图)。4A)。此外,与具有明显侵袭行为且大量癌细胞侵入周围脂肪组织的对照肿瘤相比,表达MA-Ezrin的肿瘤在肿瘤细胞区域和邻近组织之间表现出明显的界限,表现出明显的侵袭性降低(图1)。4i,j)。此外,MA-Ezrin细胞表现出明显的自发减少(如图所示)。4K)和实验性(尾静脉注射)肺转移。4L,m)。综上所述,这些数据表明由MCA维持的PM张力是一种抑制肿瘤发生、侵袭和转移的强有力的肿瘤抑制因子。

稳态PM张力通过抑制bar蛋白抑制癌细胞运动

接下来,我们研究了PM张力抑制癌细胞运动的机制。我们曾证明fbp 17是一种调节膜曲率的棒状结构域蛋白,它是肌动蛋白定向迁移过程中PM张力的传感器。32。一致地,一个数学模型表明,棒状蛋白质的聚合能力在本质上取决于膜张力。49暗示了一种普遍的通过条状蛋白的张力感应机制。因此,我们对ERM基因敲除后的BAR蛋白进行了短干扰RNA(SiRNA)筛选,以研究BAR蛋白是否在低PM张力诱导的3d顶上培养中的侵袭表型中起关键作用(图)。5A和补充图。5A)。我们鉴定了几种BAR蛋白,包括MTSS1L(也称为ABBA)(见图)。5A、蓝条)。我们还注意到,toca蛋白(如fbp 17和cp 4)的敲除可以适度地减少ERM耗竭引起的长时间侵袭行为,这表明它们的功能冗余与以前的报道相同。50。事实上,它们的同时耗竭导致对侵袭性表型(FBP 17+CIP 4+Toca-1,三重KD)的抑制作用增强(见图17+CIP 4+Toca-1)。5A)。在鉴定的蛋白质中,MTSS1L和Toca蛋白也是MDA-MB-231细胞侵袭所必需的(补充图)。5B)或由ERM蛋白或RHOA(补充图)的耗竭而诱导的MCF10A细胞。5C)。因此,在随后的分析中,我们将重点放在这些蛋白质上。MTSS1L和toca蛋白通过激活Arp 2/3复合物依赖性肌动蛋白的成核作用,参与了脂肪层的形成或膜皱褶。51,52提示这些蛋白可能在低张力介导的肌动蛋白突起中起一定作用。事实上,我们发现,敲除这些条状蛋白可以抑制蜗牛过度表达导致的长时间侵袭性表型。5B)。我们进一步研究了bar蛋白在三维癌细胞运动中的作用。延时电影显示MTSS1L或TOCA蛋白的缺失抑制了间充质和阿米巴样运动;大多数细胞表现为非运动表型,呈圆形,迁移速度慢三倍(图1)。5C,d,补充图。5D和补充电影5)。MTSS1L或Toca蛋白的缺失不仅抑制了以肌动蛋白为基础的突起,而且还导致了非极化膜泡的形成(如图1所示)。5E和补充图。5E).

图5:稳态PM张力通过抑制杆状蛋白抑制癌细胞迁移。
figure5

a用指示的RNAi处理培养的具有侵袭性结构的MCF10A球体的分数。单独控制siRNA和靶向抑制ERM缺失引起的侵袭性结构的bar蛋白的siRNAs分别以绿色和蓝色显示。数据是两个独立实验的平均值,每个实验至少有50个细胞。b左图为所示细胞在三维顶层培养中的典型图像。对,是指细胞侵袭性结构的一部分。数据为三个独立实验的平均±SD,每次实验至少有200个细胞。标尺,20米**P=0.002;*P=0.0007。cMDA-MB-231细胞经指示的RNAi处理后三维相对比图像。标度条,20m。右图,三维迁移表型的量化。n=153(SI-控制),n=150(si-MTSS1L),以及n=155(si-Toca蛋白)细胞来自三个独立的实验。d所指示细胞的细胞中心体轨迹c8小时。对,一个细胞在8小时内的平均速度。n=35(SI-控制),n=43(si-MTSS1L),以及n=46(Si-Toca蛋白)细胞由三个独立实验组合而成。平均±SDe三维显示细胞突起的定量研究。n=151(SI-控制),n=132(si-MTSS1L),以及n=138(si-Toca蛋白)来自三个独立实验(另见附图)。5E). f表达GFP-FBP 17的细胞共聚焦图像,用phalloidin和WGA染色。黄色箭头表示下午有gfp-fbp 17斑点。标度棒,10分度m.右,gfp-fbp 17点的量化n=26(SI-控制),n=22(si-ERM),n=22(si-SLK+STK 10),以及n=22(蜗牛表达细胞)由三个独立实验组合而成。g用phalloidin和WGA染色的细胞共聚焦图像。黄箭头和洋红箭头分别显示FBP 17在肌动蛋白和鼓泡状突起处积累。标度棒,10分度m.右,gfp-fbp 17点的量化n=20(Ezrin)和n=20(MA-Ezrin)细胞由三个独立实验组合而成。所有数据,除a,表达为平均±SD。用双尾学生测试的显着性t-测试(b, f, g),双尾Mann-Whitney检验(d),以及卡方检验(c, e). ****P < 0.0001.

这些数据表明,BAR蛋白介导的机械信号传导在癌细胞运动中起着关键作用,其机制通常被非运动上皮细胞的稳态PM张力所抑制。事实上,GFP-FBP 17在MCF10A细胞中主要表现为细胞质分布,而ERM、ERM激酶或蜗牛表达的下调则导致GFP-FBP 17在MCF10A细胞中积累(图1)。5F)。相比之下,在表达Ezrin的MDA-MB-231细胞中,GFP-FBP 17在2D(补充图)的肌动蛋白和泡基膜突起中自发地聚集。5F,g)和3D环境(如图所示)。5G)。然而,GFP-FBP 17在高张力的MA-Ezrin表达细胞中未见明显的蓄积。5G和补充图。5F,g)。GFP-MTSS1L(补充图)也得到了类似的结果。5G,h)。此外,通过MBCD处理增加PM张力也足以防止PM招募FBP 17(补充图)。5i,j)。为了进一步研究PM张力是否直接控制bar蛋白的组装,我们使用细胞拉伸装置通过调节平面内膜张力来增加张力。33。PM的机械拉伸导致FBP 17或MTSS1L的快速拆卸,同时前缘消失(附图)。5K,l)。这些数据表明,稳态PM张力是一种机械性抑癌剂,通过抑制BAR蛋白介导的机械转导,抑制肿瘤细胞的扩散。

讨论

长期以来,人们一直认为细胞力学与侵袭和转移有着内在的联系。然而,由于对恶性表型背后的关键物理参数缺乏了解,这种机械改变如何影响肿瘤在细胞和分子水平上的扩散能力一直是个未知数。在此,我们发现转移细胞的PM张力明显低于上皮细胞,这种力学特性不仅与膜突起密切相关,而且与肿瘤的侵袭和转移密切相关。我们的数据进一步表明,这种降低的MCA基础张力是转化为Arp 2/3复合物依赖的肌动蛋白聚合,通过自组装的酒吧蛋白,如MTSS1L和Toca蛋白,促进癌细胞的迁移和侵袭(图一)。6a,b)。最近的研究表明,多种bar蛋白在各种癌症的侵袭和转移中起着积极的作用。53,54,55,56。一个重要的方面,我们的发现是,侵袭行为,无论类型的突出和运动模式,可以通过简单地增加MCA基础的PM张力,表型正常化。这与最近的研究一致,表明膜-肌动蛋白脱离是肌动蛋白和泡状突起的关键。57,58。体内的一项研究报告了moesin的丢失果蝇(仅ERM蛋白)就足以诱导果蝇59。此外,临床样本分析表明,ERM蛋白在乳腺、肺、头颈部鳞状细胞癌等恶性肿瘤中普遍表现为细胞质分布。60,61,62,63。因此,我们的研究,连同这些观察,支持MCA基础的PM张力作为机械性肿瘤抑制物的一般作用。

图6:提出的模型描述了稳态PM张力如何作为肿瘤细胞扩散的机械抑制物。
figure6

a提出的模型来描述癌症的进展如何与稳态PM张力的破坏有关,导致癌细胞通过BAR蛋白传播。b膜对皮质附着体(MCA)所维持的稳态PM张力可以通过抑制条状蛋白(肌动蛋白和滤泡基突起的关键调节因子)的组装来维持非运动状态。

我们研究的一个局限性是,我们不能排除mma-ezrin表达除了pm张力之外还有其他影响的可能性,因为众所周知erm蛋白参与了多种信号分子的调控。35。最近的一项研究报告了一种合成分子工具(imc-linker)的发展,该工具通过简单地将细胞膜连接到肌动蛋白皮质来操纵mca。64。有趣的是,最近的两项补充研究表明,与细胞分化相关的干细胞扩散被mca基张力的增加所抑制。64,65。使用这一工具的未来研究将需要支持ERM介导的MCA在抑制癌细胞运动方面的重要性。

我们的数据表明,ERM介导的MCA负责维持无创细胞的稳态PM张力。然而,肌动蛋白结构本身的变化也被认为会影响PM的张力。22,23。迁移细胞的特点是F-actin不稳定,主要由cofilin介导的肌动蛋白丝翻转率显著提高。66,它通过提供G-actin单体来促进动态突起的形成。67。这种加速解聚也可能导致PM张力的变化,从而协同促进癌细胞迁移。这就提出了PM张力的变化如何导致两种不同的突出形态和随后的迁移模式的问题。在上皮细胞中,MCA的整体减少似乎只引起缓慢的间充质样运动.这表明快速迁移模式可能需要在局部增加mca,特别是在单元后方。57,例如变形虫迁移。68。此外,实验研究和数学考虑表明,降低PM张力和增加皮质张力有利于滤过泡的形成,从而有利于滤过泡的迁移。26,31,根据我们的系绳力数据和先前的皮质张力测量69。因此,PM张力的降低可能是两种突起形成的先决条件,皮质张力对于它们的转换和随后的迁移模式是很重要的。17,46,69,反映了为什么保持高PM张力有效地抑制了这两种迁移模式。未来的研究将研究这两种力在迁移行为中的机械关系,特别是在三维环境中,将促进我们对细胞力学如何控制癌细胞迁移的理解。

最近的研究表明,上皮细胞中细胞粘附的破坏并不一定会导致单细胞的传播。70。我们的研究表明,稳态PM张力是非运动细胞的细胞自主特性,这可能部分解释了上述现象。此外,癌细胞还利用集体迁移的特点,即通过细胞与细胞的粘附来进行多细胞协调,以供传播。16。这些集体过程是由细胞粘附力和细胞球蛋白收缩能力之间的协调作用所机械地介导的。71。研究PM张力如何与这些力量集成来控制集体迁移,以及操纵PM张力是否会抑制这种类型的运动,将是很有趣的。

一个意想不到的发现是,稳态PM张力也可能在阻碍肿瘤形成和生长中发挥积极作用。有趣的是,细胞表面力学的变化似乎与癌症的干细胞有关。72,73。此外,最近的一项研究表明,膜突起与癌症进展之间存在直接联系。74。我们的数据表明,EMT或致癌转化引起的膜波动可以通过降低PM张力来解释,因此维持较高的PM张力也可能是抑制肿瘤发生的有效机制。这将是有趣的进一步探索之间的联系PM紧张和癌症的进展,特别是在癌症干细胞的情况下。

我们的数据表明,上皮细胞的PM张力为100 pn/m,与重建实验确定的影响棒状结构自组装的膜张力相当。75和数学模型49,暗示条形蛋白组装的阈值张力。我们认为在临界阈值以上的PM张力抑制了bar蛋白的自组织,从而抑制了分支肌动蛋白的组装和随后基于肌动蛋白的迁移。这种抑制机制也可以部分解释为什么PM张力的增加抑制肿瘤的发展,因为据报道,一些bar蛋白在肿瘤的发生中起着积极的作用。76,77。我们意想不到的发现,条状蛋白也是必需的,以泡为基础的运动。我们的敲除实验表明,膜泡的形成并不需要BAR蛋白,而是参与了膜泡的极化。这可能与最近的一项研究有关,该研究报告称,由bar蛋白驱动的局部膜内陷使局部膜突起成为定向泡基迁移所必需的局部膜突起。78。重要的是,因为由mca调节的PM张力应该作为局部参数。21,28,局部膜的起伏在其脱离可能会吸收曲率敏感的条状蛋白,驱动极化的肌动蛋白和泡状运动。总之,这些观察表明,低PM张力棒蛋白轴可能作为膜介导的机械信号的一般形式来驱动癌细胞的迁移,再次强调PM张力是限制肿瘤扩散的一个有希望的靶点。

细胞膜形态的异常变化,包括微囊/外小体的形成和微胞增生症,是癌症的标志。推测这些功能可以由PM张力直接控制,这是很诱人的。我们的发现为进一步研究MCA操纵是否可以被用于旨在使细胞膜力学正常化的治疗干预提供了基础。


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