Nat Cell Bio | 分子荧光张力探针让活细胞力学可视化
撰文：知否
IF=27.9
推荐度：★★★★★
亮点：
1、研究者设计了一种可逆的剪切模式 DNA 发卡结构的力学探针(RSDTP)，其双链的耐受力阙值可以通过改变发卡的力学结构而进行大范围的调节，打开该 DNA 结构所需的机械力由受力的位置和 DNA 发卡的自由能共同决定。
2、该 DNA探针集成了目前已发展的力学传感器的多种优点，可以可逆的对细胞膜上单个蛋白上传递的 4-60 pN 范围的机械力进行长时间成像，是此前可逆传感器测量范围的 3 倍。
3、该技术有望成为研究肿瘤细胞迁移、免疫细胞的识别和激活等机械力深度参与的生命过程的重要工具。
近十年来，基于分子力学传感器的力学可视化技术的提出，使得我们可以在分子水平上窥探细胞机械力传递过程和机制。但是，遗憾的是这些技术目前无法在更高的区域(即>20pN)中可逆地测量，目前报道的多种分子力学传感器难以兼顾测量范围和可逆测量的需求，这限制了我们对细胞机械力信号传导的研究。近日，武汉大学高等研究院刘郑课题组在 《Nature Cell Biology 》杂志上发表题目为 “A Reversible shearing DNA probe for visualizing mechanically strong receptors in living cells” 的研究论文。文中介绍了一种基于 DNA 结构的新型分子荧光张力探针并应用于活细胞的力学可视化的研究，该探针集成了目前已发展的 DNA 力学传感器的多种优点，可在单分子水平上对活细胞膜受体上传递的不同大小的力学信号（4-60 pN）进行长时间可视化追踪和区分。该分子结构还可以进一步改造成光控力学探针，通过光控切割来改变 DNA 力学探针的机械结构，使其瞬间从可逆状态转成不可逆状态，进而可以用于限制细胞力学的大小，研究特定机械信号通路的生物学功能。
在该项研究中，研究者设计了一种可逆的剪切模式DNA发卡结构的力学探针(RSDTP)，当 DNA 发夹处于折叠状态时，其探针的荧光团被淬灭剂（BHQ）和 Au NP 通过荧光共振能量转移（FRET）和纳米表面能量转移（NSET）两种途径高度淬灭，从而提高了张力探针的力学敏感性。其双链的耐受力阙值可以通过改变发卡的力学结构而进行大范围的调节，展开发夹所需的力将由受力的位置和结构的自由能来决定。一旦细胞通过探针上的配体对 ECM 施加机械力，并达到该探针的展开阙值力，DNA 探针结构展开分离荧光分子和淬灭剂，随即点亮该探针。通过该过程，可将单个蛋白质上传递的微观机械力信号转化成荧光信号进行观测。由于发卡机构中 loop 结构的存在，当牵引力减小到一定程度时，DNA 发卡结构会自然关闭，进而可以对细胞的机械力进行实时成像。
图1. 可逆的剪切模式 DNA 发卡结构的力学探针原理及用于细胞力学可视化研究
研究者在单分子水平上对活细胞膜受体上传递的不同大小的力学信号（4-60 pN）进行长时间可视化追踪和区分，观察到细胞迁移过程中存在一类少量、但传递着更强力学信号的整合素受体蛋白团簇（称为“力学热点”），并发现这些“力学热点”调控了细胞黏附、黏着斑成熟、动态以及细胞迁移等重要的细胞生物学过程。新生的粘连具有较低的力，强整合素与长寿命的粘附结构紧密相关，如果没有承受较大力的整合素存在，黏着斑的寿命明显偏低。这些观察表明多路RSDTP使我们能够清楚地区分和跟踪活细胞中不同强度的积分力的动力学。
为了深入探索这些强整合素功能，研究者进一步设计了一种可以光控切割的DNA力学探针（RSDTPs），并通过实验表明：在相同的光照条件下，在100% 56-pNRSDTP或100% 56-pNTGT探头表面对粘附动力学没有显著影响。可光解的RSDTPs进一步表明，即使在单分子水平上，FA结构的稳定性也是由强集成素控制的。强整合素不仅稳定了FA结构，而且对促进成纤维细胞中层脂质体的突出-收缩开关也至关重要。通过使用这些探针，使用者可以很容易地区分含力积分素的差异。RSDTP的优势包括高动态范围、可逆性和单分子敏感性，所有这些都将有助于更好地理解机械生物学的分子机制。
图2强整合素力对FA结构的稳定性的影响
研究者认为，这种基于新型DNA探针的细胞力学可视化技术有望成为研究肿瘤细胞迁移，以及与T细胞有关的机械生物学问题如免疫细胞的识别和激活等机械力深度参与的生命过程的重要工具。
教授介绍
刘郑，武汉大学高等研究院教授。在武汉大学组建了分子-细胞动态研究实验室，主要从事单分子、单细胞生物力学研究。目前课题组正开发多种力学可视化工具，并利用这些技术深入研究细胞力学在肿瘤迁移、免疫识别以及肿瘤免疫等过程中扮演的角色和分子机制。
参考文献
A reversible shearing DNA probe for visualizing mechanically strongreceptors in living cells