Wie Talin-Protein die interzelluläre Verbindung aufrechterhält und gleichzeitig Kraft überträgt

In mehrzelligen Organismen sind Zellmigration und Mechanosensorik für die Zellentwicklung und -erhaltung von wesentlicher Bedeutung. Diese Prozesse basieren auf Talin, dem wichtigsten fokalen Adhäsionsprotein (FA-Protein), das für die Verbindung benachbarter Zellmatrizen und die Kraftübertragung zwischen ihnen von zentraler Bedeutung ist.

Taline gelten im Allgemeinen als vollständig verlängert bei FAs zwischen Aktinfilamenten – oder F-Aktin – und dem ankerähnlichen Integrinrezeptor.

Doch ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Kyoto hat zuvor beobachtet, dass sich das Aktin-Netzwerk ständig als eine einzige Einheit über FAs bewegt: ein einzigartiges Phänomen, das den vorherrschenden Vorstellungen widerspricht.

„Da stellt sich die Frage: Wie schafft es Talin, gleichzeitig die interzelluläre Verbindung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Kraft zu übertragen?“ fragt die korrespondierende Autorin Sawako Yamashiro von der Graduate School of Life Sciences der KyotoU. Die Studie ist veröffentlicht In Naturkommunikation

Am bedeutsamsten ist, dass die Ergebnisse des Teams eine neue Art der Kraftübertragung offenbaren, bei der dynamische molekulare Dehnung eine Brücke zwischen der extrazellulären Matrix und fließendem F-Aktin schlägt, das sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt. Diese Entdeckung unterstreicht die Notwendigkeit molekularer Elastizität und zufälliger Kopplung für eine ausreichende Kraftübertragung.

„Im menschlichen Maßstab lässt sich dieses Phänomen als superflexible Anime-Figur visualisieren. Er hält sich an einem Zug fest, der mit etwa 50 km/h vorbeifährt“, sagt Yamashiro.

Der Zug stellt das fließende F-Aktin dar, während ein Bahnsteig das Substrat darstellt. Der Superheld spielt das Talin-FA-Protein ab, das entweder ungedehnt abtransportiert wird oder auf dem Substrat verbleibt.

„Gelegentlich kommt es jedoch vor, dass Talin, wenn beide Enden fest verankert sind, durch den Zug gedehnt wird, weil sich einige Teile dieses Proteins wie eine Feder entfalten können“, erklärt Yamashiro.

Mithilfe der intrazellulären fluoreszierenden Talin-Einzelmolekül-Bildgebung beobachtete und berechnete Yamashiros Team, dass etwa 4 % des Talins das F-Aktin und das Substrat über eine elastische vorübergehende Kupplung verbinden. Im Gegensatz dazu ist die verbleibende Mehrheit an beide Enden gebunden.

Diese Erkenntnisse erfordern auch eine Überarbeitung der Rolle der molekularen Entfaltung und eine Aktualisierung der traditionellen Ansicht, dass sie als Mechanosensor und Stoßdämpfer fungiert, wenn sich Moleküle unter äußerer Kraft entfalten.

„Unsere Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die molekulare Entfaltung die Kraftübertragung erleichtert, anstatt sie zu absorbieren“, sagt Co-Autor Dimitrios Vavylonis von der Lehigh University.

„Wir können damit rechnen, dass die intrazelluläre Einzelmolekülmikroskopie weiterhin genutzt wird, um andere mögliche intra- und extrazelluläre Superheldenverhaltensweisen zu beobachten, wie zum Beispiel die elastische transiente Kupplung von Talin“, schlussfolgert Co-Autor Naoki Watanabe, ebenfalls an der Graduate School of Life Sciences der KyotoU.