局所接着変位の大きさは、緊張性恒常性の統一的な特徴である。

Focal adhesion displacement magnitude is a unifying feature of tensional homeostasis.

• Han Xu
• Stephanie Donegan
• Jordan M Dreher
• Alicia J Stark
• Elizabeth P Canović
• Dimitrije Stamenović
• Michael L Smith

抄録

緊張性恒常性は臓器や組織の長さスケールで存在することが広く知られているが、細胞の長さスケールでの緊張制御のメカニズムは明らかにされていない。本研究では、細胞のストレスを周囲の細胞外マトリックスに伝達する細胞内構造物であるフォーカルアドヒーシブ（FA）の挙動から緊張性恒常性が生じるのかどうかを検討した。これまでの研究では、細胞の収縮力はある一定の変位が達成されるまで増強されることが示唆されており、我々は緊張性恒常性には基質変位の閾値レベルが必要ではないかと仮説を立てた。マイクロパターン牽引顕微鏡は、3.6、6.7、13.6、および30kPaの剛性の基質上で培養したウシ血管平滑筋細胞とウシ大動脈内皮細胞によって生成されるFA牽引力の広い範囲を研究するために使用されました。ここで観察されたFAダイナミクスの最も顕著な特徴は、FAの牽引力から生じる基質の変位は、FAの張力安定性を決定する統一的な特徴であるということです。約1μmの基材変位を超えると，細胞の種類や基材の硬さにかかわらず，FAの牽引力の時間的変動が急激に低下することが明らかになった。これらの知見は、牽引力のダイナミクスがまとめて細胞または細胞アンサンブルが緊張性恒常性を開発するかどうかを決定するという結論に私たちを導き、この洞察は、マトリックスの剛性が健康な状態で細胞の行動にどのように影響を与えるかを完全に理解するために必要であり、より重要なのは、環境の剛性が変化する癌や血管の老化などの病理学的条件では、このような環境の剛性が変更されます。

Tensional homeostasis is widely recognized to exist at the length scales of organs and tissues, but the cellular length scale mechanism for tension regulation is not known. In this study, we explored whether tensional homeostasis emerges from the behavior of the individual focal adhesion (FA), which is the subcellular structure that transmits cell stress to the surrounding extracellular matrix. Past studies have suggested that cell contractility builds up until a certain displacement is achieved, and we thus hypothesized that tensional homeostasis may require a threshold level of substrate displacement. Micropattern traction microscopy was used to study a wide range of FA traction forces generated by bovine vascular smooth muscle cells and bovine aortic endothelial cells cultured on substrates of stiffness of 3.6, 6.7, 13.6, and 30 kPa. The most striking feature of FA dynamics observed here is that the substrate displacement resulting from FA traction forces is a unifying feature that determines FA tensional stability. Beyond approximately 1 μm of substrate displacement, FAs, regardless of cell type or substrate stiffness, exhibit a precipitous drop in temporal fluctuations of traction forces. These findings lead us to the conclusion that traction force dynamics collectively determine whether cells or cell ensembles develop tensional homeostasis, and this insight is necessary to fully understand how matrix stiffness impacts cellular behavior in healthy conditions and, more important, in pathological conditions such as cancer or vascular aging, where environmental stiffness is altered.

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