研究简介
首先设计了基于重组蛋白水凝胶的ECM模拟物，这些模拟物能够在高硬度范围内特异性调节粘性能量耗散。通过改变多肽链中随机卷曲区域的比例和交联位点，制备了三种具有不同粘弹性特性的蛋白水凝胶（H10、H25和H25'）。通过单轴牵引应力-应变测试，发现H25水凝胶比H10水凝胶具有更高的硬度和能量耗散，而H25'水凝胶也显示出比H10更高的能量耗散。这些不同的力学特性是在保持结构和化学性质基本不变的情况下实现的。
在细胞实验中，发现在H10、H25和H25'水凝胶上培养的RPE-1细胞显示出正常的附着和代谢活性。然而，与预期相反，核YAP蛋白的定位在H10水凝胶上最为强烈，尽管H10是最软且能量耗散最少的。这种较高的核YAP定位伴随着更多的细胞扩散和YAP靶基因表达水平的增加，尤其是在与H25水凝胶相比时。此外，与弹性水凝胶中观察到的情况相似，H10水凝胶上的细胞形成了更大的周边粘着斑。
为了进一步探究这些结果，使用原子力显微镜（AFM）进行的纳米力学光谱测试和应力松弛实验，证实了H25水凝胶在细胞培养后仍然比H10水凝胶更硬且更耗散能量。这些结果表明，ECM的粘性能量耗散减弱了由高硬度基质驱动的细胞机械感应。
还探讨了肌动蛋白-肌球蛋白收缩力在细胞对基质粘弹性的反应中的作用。通过使用特定的抑制剂，发现，降低肌球蛋白的收缩力可以增强在耗散性基质上培养的细胞的机械感应。这些实验抑制肌动蛋白-肌球蛋白细胞骨架的实验表明，分子离合器参与了细胞对粘性能耗散基质的减弱反应。
为了理解这些复杂的行为，开发了一个基于分子离合器的计算模型，该模型能够捕捉在耗散性基质上培养的细胞对高硬度的反应减弱，以及在肌球蛋白抑制后机械感应的恢复。这个“拉力和保持”模型假设细胞在达到一定的力阈值后，会从持续拉伸基质的模式转变为固定长度的模式，这导致了粘弹性基质的力松弛。模型预测，在高硬度范围内，更耗散性的粘弹性基质会减少机械感应，这与实验观察到的蛋白水凝胶上细胞的行为一致。
进一步使用这个模型来模拟H10、H25和H25'基质触发的不同机械感应。通过调整模型参数，能够再现实验中观察到的细胞行为，包括在高硬度基质上增加粘度会降低加固概率，以及在肌球蛋白抑制后加固概率的变化。这些模拟结果与实验数据一致，表明模型能够捕捉到细胞对粘弹性基质的机械感应。
总的来说，本研究提供了一个统一的视角，解释了细胞如何感知ECM的粘弹性特性。一个关键的洞见是，肌球蛋白的拉力速率控制了ECM-整联蛋白-talin分子离合器如何响应粘弹性能量耗散。因此，细胞可能通过调节肌球蛋白活性来调整它们对基质粘弹性耗散的反应。这一发现对于理解细胞如何与它们周围的基质相互作用，以及如何通过调节这些相互作用来影响细胞行为和疾病进展具有重要意义。
链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9758
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