Mapping cell-matrix stresses during stretch reveals inelastic reorganization of the cytoskeleton.

The mechanical properties of the living cell are intimately related to cell signaling biology through cytoskeletal tension. The tension borne by the cytoskeleton (CSK) is in part generated internally by the actomyosin machinery and externally by stretch. Here we studied how cytoskeletal tension is modified during stretch and the tensional changes undergone by the sites of cell-matrix interaction. To this end we developed a novel technique to map cell-matrix stresses during application of stretch. We found that cell-matrix stresses increased with imposition of stretch but dropped below baseline levels on stretch release. Inhibition of the actomyosin machinery resulted in a larger relative increase in CSK tension with stretch and in a smaller drop in tension after stretch release. Cell-matrix stress maps showed that the loci of cell adhesion initially bearing greater stress also exhibited larger drops in traction forces after stretch removal. Our results suggest that stretch partially disrupts the actin-myosin apparatus and the cytoskeletal structures that support the largest CSK tension. These findings indicate that cells use the mechanical energy injected by stretch to rapidly reorganize their structure and redistribute tension.

Thermal activation and ATP dependence of the cytoskeleton remodeling dynamics

The cytoskeleton (CSK) is a nonequilibrium polymer network that uses hydrolyzable sources of free energy such as adenosine triphosphate (ATP) to remodel its internal structure. As in inert nonequilibrium soft materials, CSK remodeling has been associated with structural rearrangements driven by energy-activated processes. We carry out particle tracking and traction microscopy measurements of alveolar epithelial cells at various temperatures and ATP concentrations. We provide the first experimental evidence that the remodeling dynamics of the CSK is driven by structural rearrangements over free-energy barriers induced by thermally activated forces mediated by ATP. The measured activation energy of these forces is ~40kBTr (kB being the Boltzmann constant and Tr being the room temperature). Our experiments provide clues to understand the analogy between the dynamics of the living CSK and that of inert nonequilibrium soft materials.

Mechanical properties of cultured human airway smooth muscle cells from 0.05 to 0.4 Hz.

We investigated the rheological properties of living human airway smooth muscle cells in culture and monitored the changes in rheological properties induced by exogenous stimuli. We oscillated small magnetic microbeads bound specifically to integrin receptors and computed the storage modulus (G') and loss modulus (G") from the applied torque and the resulting rotational motion of the beads as determined from their remanent magnetic field. Under baseline conditions, G' increased weakly with frequency, whereas G" was independent of the frequency. The cell was predominantly elastic, with the ratio of G" to G' (defined as eta) being ~0.35 at all frequencies. G' and G" increased together after contractile activation and decreased together after deactivation, whereas eta remained unaltered in each case. Thus elastic and dissipative stresses were coupled during changes in contractile activation. G' and G" decreased with disruption of the actin fibers by cytochalasin D, but eta increased. These results imply that the mechanisms for frictional energy loss and elastic energy storage in the living cell are coupled and reside within the cytoskeleton.

Ligand binding to heparan sulfate proteoglycans induces their aggregation and distribution along actin cytoskeleton

Cell surface heparan sulfate proteoglycans (HSPGs) participate in molecular events that regulate cell adhesion, migration, and proliferation. The present study demonstrates that soluble heparin-binding proteins or cross-linking antibodies induce the aggregation of cell surface HSPGs and their distribution along underlying actin filaments. Immunofluorescence and confocal microscopy and immunogold and electron microscopy indicate that, in the absence of ligands, HSPGs are irregularly distributed on the fibroblast cell surface, without any apparent codistribution with the actin cytoskeleton. In the presence of ligand (lipoprotein lipase) or antibodies against heparan sulfate, HSPGs aggregate and colocalize with the actin cytoskeleton. Triton X-100 extraction and immunoelectron microscopy have demonstrated that in this condition HSPGs were clustered and associated with the actin filaments. Crosslinking experiments that use biotinylated lipoprotein lipase have revealed three major proteoglycans as binding sites at the fibroblast cell surface. These cross-linked proteoglycans appeared in the Triton X-100 insoluble fraction. Platinum/carbon replicas of the fibroblast surface incubated either with lipoprotein lipase or antiheparan sulfate showed large aggregates of HSPGs regularly distributed along cytoplasmic fibers. Quantification of the spacing between HSPGs by confocal microscopy confirmed that the nonrandom distribution of HSPG aggregates along the actin cytoskeleton was induced by ligand binding. When cells were incubated either with lipoprotein lipase or antibodies against heparan sulfate, the distance between immunofluorescence spots was uniform. In contrast, the spacing between HSPGs on fixed cells not incubated with ligand was more variable. This highly organized spatial relationship between actin and proteoglycans suggests that cortical actin filaments could organize the molecular machinery involved in signal transduction and molecular movements on the cell surface that are triggered by heparin-binding proteins.

Actin acting at the Golgi

The organization, assembly and remodeling of the actin cytoskeleton provide force and tracks for a variety of (endo)membrane-associated events such as membrane trafficking. This review illustrates in different cellular models how actin and many of its numerous binding and regulatory proteins (actin and co-workers) participate in the structural organization of the Golgi apparatus and in traf- ficking-associated processes such as sorting, biogenesis and motion of Golgi-derived transport carriers.

Reinforcement versus Fluidization in Cytoskeletal Mechanoresponsiveness

Every adherent eukaryotic cell exerts appreciable traction forces upon its substrate. Moreover, every resident cell within the heart, great vessels, bladder, gut or lung routinely experiences large periodic stretches. As an acute response to such stretches the cytoskeleton can stiffen, increase traction forces and reinforce, as reported by some, or can soften and fluidize, as reported more recently by our laboratory, but in any given circumstance it remains unknown which response might prevail or why. Using a novel nanotechnology, we show here that in loading conditions expected in most physiological circumstances the localized reinforcement response fails to scale up to the level of homogeneous cell stretch; fluidization trumps reinforcement. Whereas the reinforcement response is known to be mediated by upstream mechanosensing and downstream signaling, results presented here show the fluidization response to be altogether novel: it is a direct physical effect of mechanical force acting upon a structural lattice that is soft and fragile. Cytoskeletal softness and fragility, we argue, is consistent with early evolutionary adaptations of the eukaryotic cell to material properties of a soft inert microenvironment.

Mecanismes cel·lulars en la curació de ferides a Hirudo medicinalis

S'estudia la histologia normal de la paret corporal d'Hirudo medicinalis i els canvis morfogenètics que es donen durant el procés de cicatrització de ferides per incisió, cauterització i nitrat de plata. El procés de curació de ferides a Hirudo medicinalis consta d'una fase de formació d'un tap cel·lular, el pseudoblastema, d'un procés de reepitelització i de la formació d'un teixit cicatricial, com en els altres hirudinis estudiats (Myers, 1935; LeGore i Sparks, 1971; Cornec, 1984). Hem observat també el fenomen de la contracció de la ferida que permet l'acostament dels marges de la ferida. Formació i evolució del pseudoblastema El pseudoblastema, a diferència d'altres espècies estudiades, està format per un sol tipus cel·lular: les cèl·lules vasocentrals, provinents del teixit vasofibrós, una especialització del teixit connectiu. Aquestes cèl·lules estan capacitades per realitzar les diferents funcions que en espècies rincobdèl·lides realitzen diferents tipus cel·lulars. En concret: taponament de la ferida a través de la formació del pseudoblastema, fagocitosi dels teixits necrosats i regeneració, almenys d'una part, de la matriu connectiva cicatricial. També són responsables de la contracció de la ferida. Les cèl·lules vasocentrals en el seu estadi de repòs es troben en el teixit vasofibrós formant agrupacions coherents, però sense mostrar unions intercel·lulars especialitzades visibles en ME. La coherència del grup queda assegurada per les interdigitacions entre les cèl·lules vasocentrals i probablement per unions tipus adherens o especialitzades. Les unions amb la matriu són de tipus adherens. Aquestes cèl·lules vasocentrals presenten feixos de filaments d'actina força conspicus. En produir-se una ferida les cèl·lules vasocentrals s'activen, desconnecten les unions intercel·lulars i amb la matriu i migren cap a la zona afectada, on s'acumulen. El pseudoblastema actua com un tap cel·lular que funciona de forma eficient per tancar la ferida en un plaç de temps relativament curt. El pseudoblastema forma un teixit coherent amb unions intercel·lulars tipus adherens, caracteritzades per material electrodens en la cara intracitoplasmàtica, feixos de filaments d'actina que hi convergeixen i espais intercel·lulars petits, de 17-20 mm, atravessats per petites fibril·les. Un cop finalitzat el procés de reepitelització, es produeix una contracció de la ferida. Es produeix per la retracció del pseudoblastema cap a l'interior de l'animal. El pseudoblastema disminueix la seva amplària i arrossega els teixits contigus provocant un tancament. La força motriu que provoca la retracció i l'arrossegament dels teixits vindria donada per la presència dels filaments d'actina a les cèl·lules del pseudoblastema, els quals durant aquesta fase es tornen mes conspicus. La presència d'unions intercel·lulars especialitzades característiques de la fase de contracció, està relacionada amb la transmissió de la força de tensió. Aquestes unions connecten els feixos de filaments d'actina de les cèl·lules amb la matriu o d'una cèl·lula a altre a través d'espais intercel·lulars força amples en els que s'observa material electrodens. Reepitelització L'epitelització s'inicia quan el pseudoblastema està consolidat i segueix el mateix patró que la reepitelització de ferides en epitelis monoestratificats de vertebrats (Stem i DePalma, 1983, és a dir, per migració de tota la capa per sobre del substrat, segons l'anomenat model de lliscament. Les glàndules unicel·lulars mucoses del tegument degeneren abans de produir-se la migració epitelial i posteriorment, un cop consolidat l'epiteli a sobre de la ferida, es diferencien a partir de les cèl·lules epitelials. Durant l'epitelització es produeixen canvis importants en el citosquelet i les unions basals de les cèl·lules epitelials. En canvi, el complex d'unió lateral es manté durant tot el procés. En iniciar-se la migració els tonofilaments es desconnecten dels hemidesmosomes cuticulars i dèrmics i es reagrupen al voltant del nucli, a la vegada que els hemidesmosomes dèrmics es desconnecten de la làmina basal. Un cop acabada la migració, les cèl·lules epitelials estableixen unions basals amb les cèl·lules del pseudoblastema. Aquestes unions no són hemidesmosomes sinó que presenten el mateix aspecte que les unions intercel·lulars del pseudoblastema. Els hemidesmosomes no es tornen a formar fins que les cèl·lules epitelials han restablert la membrana basal. La regeneració de la membrana basal no s'inicia fins que no s'ha començat a regenerar matriu connectiva a la zona cicatricial. Regeneració de la cicatriu Al mateix temps que es dona el fenomen de contracció, s'observa regeneració de la matriu connectiva entre les cèl·lules del pseudoblastema. Aquestes cèl·lules són responsables almenys del recobriment fibrós que presenten en aquest estadi, durant el qual mostren sàculs del reticle endoplasmàtic rugós molt dilatats, característics de cèl·lules que secreten constituents de la matriu. A més, s'observa infiltració de matriu connectiva i processos citoplasmàtics dels fibròcits en els marges del pseudoblastema. En la matriu del teixit connectiu normal s'observen fibres que estan constituïdes per un còrtex de fibril·les col·làgenes organitzades al voltant dels processos citoplasmàtics dels fibròcits. Les fibres del teixit connectiu peridigestiu, d'uns 1,2-1,9 mm de diàmetre, presenten el còrtex prim, amb les fibril·les organitzades paral·lelament a l'eix de la fibra. En canvi, les fibres de la dermis i teixit connectiu intramuscular, d'uns 2,5-7,1 mm de diàmetre, tenen el còrtex gruixut, amb fibril·les que s'organitzen paral·lelament en la zona proximal a la medul·la i de forma desorganitzada en la part més distal. Als 8 mesos la cicatriu encara és detectable. La matriu cicatricial presenta fibres connectives del tipus prim i força material fibril·lar desorganitzat disposat laxament. S'observa colonització per part de fibròcits, cromatòfors, petites fibres musculars i nervis.