デューク大学のエンジニアと神経科学者が、タッチセンシティブで電気的に反応する4つのタンパク質をテストに使用しました。 Duke engineers and neuroscientists put four touch-sensitive, electrically responsive proteins to the test
2023-02-23 デューク大学(Duke)
A photo of the atomic force microscopy experiment in action. A tiny cantilever beam softly pushes against a cell while a glass electrical pipette measures the electrical response. (Artist representation of the setup below)
◆触覚や物理的な力が生物学的プロセスの多くの側面で重要な役割を担っていることは分かっていても、その仕組みについてはほとんど分かっていない。細胞によって、触覚によって発生する信号を感知・伝達する経路は異なります。また、これらの入出力を測定できる何らかの実験装置に入れる細胞を体外で培養することは、容易ではありません。
◆デューク大学の機械工学者と神経生物学者は、2月16日に米国科学アカデミー紀要に掲載された論文の中で、この知識のギャップを埋めることに成功しています。研究者らは、原子間力顕微鏡と電気生理学を用いて、物理的刺激に反応して電気信号を発する4つのタンパク質の機能の上限と下限を測定した。その結果、4つのタンパク質が持つ能力には幅があることがわかり、触覚に特化した細胞がなぜこのようにうまく機能できるのか、新たな疑問が生まれました。
◆ヤングが研究した4つのタンパク質は、2つの細胞ファミリーのメンバーでした:Piezo1とPiezo2、そしてTREK1とTRAAKです。Piezo2は、皮膚などの感覚細胞に多く存在し、触覚信号を生成してニューロンに伝え、脳に送る。一方、Piezo1の近縁種は、血圧や細胞移動などの生体プロセスを自動的に制御する細胞に低レベルで存在する。TREK1とTRAAKはどちらも主に神経系に存在し、信号の伝達を助ける未知の役割を担っており、触覚以外のさまざまな種類の刺激によって活性化されることが分かっています。
◆これらの細胞の能力の限界を測定するため、ヤングはデューク大学の神経生物学教授であるイェルク・グランデルと協力して、問題のタンパク質の1つでいっぱいになるように細胞を増殖させた。そして、デューク大学の機械工学・材料科学教授であるステファン・ザウシャー(Stefan Zauscher)教授のもとに行き、突いたときの細胞の反応を測定する最善の方法を探ったのです。
◆ザウシャー教授は、チームに原子間力顕微鏡をセットアップした。この機械は、肉眼ではほとんど見えないカンチレバービームで、10ピコワットンの力を加えることができる。これは、手の甲に羽を乗せる力の1千万分の1のオーダーである。
◆ヤングが研究した4つのタンパク質は、2つの細胞ファミリーのメンバーでした:Piezo1とPiezo2、そしてTREK1とTRAAKです。Piezo2は、皮膚などの感覚細胞に多く存在し、触覚信号を生成してニューロンに伝え、脳に送る。一方、Piezo1の近縁種は、血圧や細胞移動などの生体プロセスを自動的に制御する細胞に低レベルで存在する。TREK1とTRAAKはどちらも主に神経系に存在し、信号の伝達を助ける未知の役割を担っており、触覚以外のさまざまな種類の刺激によって活性化されることが分かっています。
◆これらの細胞の能力の限界を測定するため、ヤングはデューク大学の神経生物学教授であるイェルク・グランデルと協力して、問題のタンパク質の1つでいっぱいになるように細胞を増殖させた。そして、デューク大学の機械工学・材料科学教授であるステファン・ザウシャー(Stefan Zauscher)教授のもとに行き、突いたときの細胞の反応を測定する最善の方法を探ったのです。
◆ザウシャー教授は、チームに原子間力顕微鏡をセットアップした。この機械は、肉眼ではほとんど見えないカンチレバービームで、10ピコワットンの力を加えることができる。これは、手の甲に羽を乗せる力の1千万分の1のオーダーである。
ヤング教授は、タンパク質で満たされた細胞1つ1つについて、検出可能な信号を出すのに必要な最小限の力、発生しうる最大限の電気活動、信号の一般的な挙動を測定した。例えば、短くて強い信号なのか、長くて穏やかな信号なのか。
◆驚いたことに、ヤングは、タンパク質が類似しているにもかかわらず、その反応に大きな幅があることを発見した。ある細胞はほとんど瞬時に電気反応を発し、別の細胞は10倍以上の遅れがあった。また、感度にも幅があり、これらのタンパク質が身体の生化学的活動を制御する上で、他のどのような要因が関与しているのかという疑問が生じます。
<関連情報>
- https://pratt.duke.edu/about/news/measuring-lightest-touch-your-body-responds
- https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215747120
急速な細胞メカノトランスダクションのエネルギー論 The energetics of rapid cellular mechanotransduction
Michael N. Young,Michael J. Sindoni,Amanda H. Lewis,Stefan Zauscher ,Jörg Grandl
Proceedings of the National Academy of Sciences Published:February 16, 2023
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2215747120
Significance
The rapid transduction of mechanical forces is crucial to our senses of touch and proprioception in addition to regulating homeostatic processes such as blood pressure and bone density. This work combines atomic force microscopy and electrophysiology to provide a perspective toward quantifying how cells function and specialize as sensors of mechanical energy, which is a prerequisite for understanding how stimulus intensity and dynamics are decoded.
Abstract
Cells throughout the human body detect mechanical forces. While it is known that the rapid (millisecond) detection of mechanical forces is mediated by force-gated ion channels, a detailed quantitative understanding of cells as sensors of mechanical energy is still lacking. Here, we combine atomic force microscopy with patch-clamp electrophysiology to determine the physical limits of cells expressing the force-gated ion channels (FGICs) Piezo1, Piezo2, TREK1, and TRAAK. We find that, depending on the ion channel expressed, cells can function either as proportional or nonlinear transducers of mechanical energy and detect mechanical energies as little as ~100 fJ, with a resolution of up to ~1 fJ. These specific energetic values depend on cell size, channel density, and cytoskeletal architecture. We also make the surprising discovery that cells can transduce forces either nearly instantaneously (<1 ms) or with a substantial time delay (~10 ms). Using a chimeric experimental approach and simulations, we show how such delays can emerge from channel-intrinsic properties and the slow diffusion of tension in the membrane. Overall, our experiments reveal the capabilities and limits of cellular mechanosensing and provide insights into molecular mechanisms that different cell types may employ to specialize for their distinct physiological roles.
