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Le forze meccaniche guidano molti processi cellulari critici, dalla migrazione1 alla differenziazione delle cellule staminali2 alla capacità di una cellula T di legarsi ed essere attivata dalla corretta cellula presentante l'antigene3. Le variabili meccaniche sono disregolate nella malattia, con conseguenti differenze misurabili nel fenotipo meccanico cellulare, o meccanotipo, delle cellule 4,5. Il meccanotipo è un termine generico per le proprietà meccaniche di cellule e tessuti e può includere parametri come contrattilità, migrazione, adesione e deformabilità. La rigidità cellulare o tissutale è l'aspetto più comune del meccanotipo misurato in quanto può essere misurato ad alta produttività. Ad esempio, le cellule tumorali sono spesso più rigide delle cellule normali mentre le cellule metastatiche sono spesso più cedevoli 6,7. La generazione di forza da parte delle cellule è un aspetto importante del meccanotipo alterato nella malattia8 perché sonda specifiche interazioni cellula-ambiente. La microscopia della forza di trazione è il metodo più comune per misurare la generazione di forza cellulare e prevede la placcatura di cellule su substrati elastici deformabili incorporati con perline fluorescenti o su array di microperni e il tracciamento dei cambiamenti nel movimento del cordone o nella deflessione del perno per calcolare le forze esercitate dalle cellule. I sensori di tensione molecolari sono stati utilizzati anche per misurare le forze di trazione e offrono il vantaggio della sensibilità a piccole grandezze di forza e della misurazione delle forze generate da specifiche coppie ligando-recettore 9,10. Tuttavia, la misurazione delle forze cellulari con i tradizionali sensori TFM e di tensione molecolare si basa sull'imaging ad alta risoluzione, limitando la produttività della misurazione.
Di recente abbiamo adattato le sonde di tensione DNA-duplex in una lettura ad alto rendimento della generazione di forza cellulare nel contesto della meccanofenotipizzazione cellulare11 (Figura 1). In breve, i duplex di DNA adattati dalle sonde TGT (Tens-gauge-Tether)12 ampiamente utilizzate vengono immobilizzati nei pozzetti di piastre a 96 pozzetti tramite la chimica biotina-neutravidina del filamento "ancora"13. La forza di rottura richiesta dei duplex TGT può essere regolata variando la posizione della biotina sul filo di ancoraggio, il che altera la geometria del duplex risultando in una conformazione di decompressione a bassa forza di rottura (Figura 2A) o in una conformazione di taglio ad alta forza di rottura (Figura 2B). Il filamento di ancoraggio contiene biotina e un quencer di fluorescenza, mentre il filamento di DNA "ligando" contiene una sonda fluorescente e un ligando che riconosce un recettore della superficie cellulare coinvolto nel meccanosensing, come un'integrina. Il ligando è legato in modo covalente al DNA (Figura 3) tramite l'uso di un tag di fusione di collegamento al DNA chiamato HUH-tag fuso al ligando14,15. Gli HUH-tag sono piccoli domini endonucleasi HUH coinvolti nella replicazione virale e in altri processi che riconoscono una sequenza/struttura di 9 bp di DNA a singolo filamento, la intaccano e formano un addotto covalente di fosfotirosina all'estremità 5' del DNA intaccato.
Le cellule placcate sopra queste sonde si legano al ligando e rompono una percentuale delle sonde proporzionale alle forze che generano. Il filamento di ligando fluorescente legato al suo recettore viene successivamente consegnato nella cellula. Pertanto, la storia meccanica delle cellule viene registrata nelle cellule di interesse attraverso l'entità della loro fluorescenza. La fluorescenza può essere quantificata utilizzando la citometria a flusso. Chiamiamo questo metodo Rupture and Deliver-TGTS o RAD-TGT. Questo metodo non solo misura la fluorescenza e, quindi, la forza relativa generata da migliaia di cellule contemporaneamente, ma anche la lettura della citometria a flusso offre il potenziale di ordinare le cellule in base al loro meccanotipo, consentendo letture -omiche a valle, nonché CRISPR-KO o screening farmacologici che potrebbero identificare geni o farmaci che alterano il meccanotipo cellulare.
Nel protocollo seguente, dimostriamo come preparare ed eseguire un esperimento RAD-TGT. Evidenzieremo l'espressione e la purificazione di un tipo di HUH noto come WDV (dal virus nano del grano) da solo per fungere da controllo negativo e fuso con l'echistatina, un ligando che lega strettamente una famiglia di recettori di adesione che trasducono la forza tra la cellula e l'ambiente noti come integrine leganti RGD, per fungere da condizione sperimentale. Da questo, dimostreremo come preparare i RAD-TGT per l'uso sperimentale. Spiegheremo come procedere con gli esperimenti e come analizzare i dati risultanti. Evidenzieremo anche un'applicazione dei RAD-TGT misurando come un inibitore di ROCK altera le forze mediate dalle integrine nelle cellule CHO-K1 (Figura 4). In sintesi, speriamo che questo protocollo serva come ingresso alla meccanobiologia indipendentemente dall'esperienza precedente; Il campo è nella sua fase nascente e tutti i background sono essenziali per un'ulteriore comprensione.