Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Mapping the relationship between integrin activation, focal adhesion organization and mechanotransduction in fibroblasts

Grudtsyna, Valeriia LU (2021) BMEM01 20211
Department of Biomedical Engineering
Abstract
Cells can sense and respond to mechanical forces through a process called mechanotransduction. It is controlled by the mechanical cues, originated from the cell's microenvironment, and occurs via a complex, step-wise process. In this process, a cascade of events occurs, where the forces are essentially sensed by integrins and transmitted through filamentous actin (F-actin). The downstream events lead to the activation of transcriptional factors, which in turn impact the cellular response. YAP is a transcriptional coregulator, involved in cell proliferation. It is controlled by the canonical Hippo signaling pathway together with the mechanotransduction pathway. The effect of the latter is less studied and the exact process is yet unknown.
... (More)
Cells can sense and respond to mechanical forces through a process called mechanotransduction. It is controlled by the mechanical cues, originated from the cell's microenvironment, and occurs via a complex, step-wise process. In this process, a cascade of events occurs, where the forces are essentially sensed by integrins and transmitted through filamentous actin (F-actin). The downstream events lead to the activation of transcriptional factors, which in turn impact the cellular response. YAP is a transcriptional coregulator, involved in cell proliferation. It is controlled by the canonical Hippo signaling pathway together with the mechanotransduction pathway. The effect of the latter is less studied and the exact process is yet unknown.

This thesis focuses on further investigations of the mechanotransduction pathway and its influence on YAP activation in fibroblasts. Different microenvironments were modulated by modifying the fibronectin (FN) coating, which controls the amount of integrin activation and consequently affects the FA morphology together with the organization of F-actin. The organizational degree of F-actin in focal adhesions (FA) and morphological FA properties were compared to the YAP response. The results revealed that YAP activation is increased proportionally to the FN concentration, correlating to F-actin data. However, the lowest FN concentration caused a non-matching increase of activation. The findings propose that the YAP response might to some extent be determined by integrin activation. However, it has yet been impossible to decouple the effect of the Hippo signaling. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Undersökning av cellens mekaniska reaktionsväg

Cancer är ett existentiellt problem världen runt. Den kan uppstå i nästan vilken vävnad som helst och innebär att vissa celler börjar dela sig obehindrat. Dessutom kan tumörceller sprida sig till andra delar av kroppen och bilda så kallade metastaser. Ibland räcker det att lokalt ökad styvhet bidrar till cancercellernas metastasering och på det sättet förvärrar sjukdomen. Därför är det väldigt viktigt att undersöka i grunden vad som kan generara en sådan respons och granska processer som sker inuti cellen.

I detta projekt vill vi undersöka hur specifika proteiner, nämligen Yes-assocoiated protein (YAP) och aktinfilament, påverkar varandra. YAP är involverad i cellens... (More)
Undersökning av cellens mekaniska reaktionsväg

Cancer är ett existentiellt problem världen runt. Den kan uppstå i nästan vilken vävnad som helst och innebär att vissa celler börjar dela sig obehindrat. Dessutom kan tumörceller sprida sig till andra delar av kroppen och bilda så kallade metastaser. Ibland räcker det att lokalt ökad styvhet bidrar till cancercellernas metastasering och på det sättet förvärrar sjukdomen. Därför är det väldigt viktigt att undersöka i grunden vad som kan generara en sådan respons och granska processer som sker inuti cellen.

I detta projekt vill vi undersöka hur specifika proteiner, nämligen Yes-assocoiated protein (YAP) och aktinfilament, påverkar varandra. YAP är involverad i cellens transkriptionsprocess, där cellen bestämmer vilka gener i DNAt som ska översättas till mRNA och därmed börja tillverka proteiner som kommer hjälpa cellen att anpassa sig till sin omgivning. När YAP är i sin aktiva form pendlar den in i cellkärnan där den kan initiera DNA-transkription. YAP är inaktiverat, då den är lokaliserad i cytoplasman. YAP är bland annat reglerad av så kallad Hippo cellsignalering som kontrollerar organstorleken genom att bestämma ifall en cell ska dela sig eller begå apoptos (programmerad celldöd). Ifall dessa funktioner ej fungerar korrekt, kan det leda till sjukdomar som exempelvis cancer. Därför är regleringen av YAP väldigt intressant för forskningen. Det finns belägg för att Hippo cellsignaleringen inte är det enda som reglerar YAP, utan att det också kan styras av de mekaniska signalerna utifrån. Det finns olika teorier om hur det kan ske och i detta projekt tittar vi närmare på en av dem.

Celler bildar fysiska länkar tvärs över cellmembranet som kopplar dem till omgivningen. Genom dessa länkar kan de mekaniska signalerna först kännas av och därefter färdas vidare. Via en kedjereaktion kan de nå cellkärnan och generera specifik respons. Dessa länkar kallas för fokaladhesioner och är uppbyggda av många olika proteiner. De transmembrana proteinerna som binder till den extracellulära matrisen (ECM) kallar för integriner. Det existerar många slags integriner som kan binda till respektive ECM-markörer. De långa filamentstrukturerna som till största del utgör cellens skelett och tjänar som signalöverförare kallas för aktin. Aktinnätverket är kopplat till fokaladhesionerna och spinner hela cellens cytosol.

I detta projekt söktes en koppling mellan organiseringen av aktinet i fokaladhesionerna och YAP-aktiveringen. Vi utvecklade därför två experiment. Vi tar reda på graden av aktinorganisering (hur pass slumpmässigt filamenten är ordnade) genom att färga in aktinet och sedan avbilda med ett polarisationskänsligt mikroskop som endast skannar de ytliga strukturer på cellen. Sedan, med hjälp av bildanalys, har bilddatan kunnat sammanställas till lätthanterliga värden. För att undersöka YAP-aktivering, färgade vi på liknande sätt in YAP, cellkärnan och aktinet och skannade flera olika nivåer av cellen för att omfatta hela dennes volym. Med hjälp av bilanalys kunde mängden av YAP som tillhör kärnan och cytoplasman komponeras till ett ratio.

För att kunna jämföra kopplingen mellan YAP aktivering och aktinets struktur i diverse miljöer, placerades celler på olika koncentrationer av fibronektin, ett protein som finns i ECM. I ett ytterligare experiment, korslänkades fibronektinet på så sätt som gör att det blir svårare för cellen att hantera och bygga om det. Genom att ändra på cellens omgivning på detta sätt, varieras andelen integriner som kan binda sig. Således, påverkas hela mekaniska signalleringsprocessen. De tidigare beskrivna experimenten utfördes således på celler utsatta för växlande förhållanden.

Resultaten visar att aktinordningen blir mer organiserad vid ökad koncentration av fibronektin och blir mer slumpartad då matrisen är korslänkad. Detta kan bero på att vid låg tillgång till fibronektin, kan inte integriner binda sig lika bra till sin omgivning, som gör att det blir svårare för fokaladhesionerna att formas. I sin tur påverkar det aktinstrukturen. Det blir alltjämt svårare när ombyggnaden av matrisen är begränsad. Å andra sidan visade det sig att YAP aktiveringen förhåller sig på ett mer komplicerat sätt till omväxlingarna och korrelerar inte aktintrenden fullt ut. En förklaring till det kan vara att vi ser mekanisk reglering blandat med Hippo cellsignalering. Dock behövs det fler experiment för att dra några slutsatser. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Grudtsyna, Valeriia LU
supervisor
organization
course
BMEM01 20211
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Mechanotransduction, Focal adhesions, Yes-associated protein 1 (YAP), Integrins, Fibronectin, Polarization microscopy, TIRF microscopy, Fluorescence anisotropy, YAP activation, Image analysis, Cell biology
language
English
additional info
2021-04
id
9043994
date added to LUP
2021-06-29 13:46:14
date last changed
2021-06-29 13:46:14
@misc{9043994,
  abstract     = {{Cells can sense and respond to mechanical forces through a process called mechanotransduction. It is controlled by the mechanical cues, originated from the cell's microenvironment, and occurs via a complex, step-wise process. In this process, a cascade of events occurs, where the forces are essentially sensed by integrins and transmitted through filamentous actin (F-actin). The downstream events lead to the activation of transcriptional factors, which in turn impact the cellular response. YAP is a transcriptional coregulator, involved in cell proliferation. It is controlled by the canonical Hippo signaling pathway together with the mechanotransduction pathway. The effect of the latter is less studied and the exact process is yet unknown.

This thesis focuses on further investigations of the mechanotransduction pathway and its influence on YAP activation in fibroblasts. Different microenvironments were modulated by modifying the fibronectin (FN) coating, which controls the amount of integrin activation and consequently affects the FA morphology together with the organization of F-actin. The organizational degree of F-actin in focal adhesions (FA) and morphological FA properties were compared to the YAP response. The results revealed that YAP activation is increased proportionally to the FN concentration, correlating to F-actin data. However, the lowest FN concentration caused a non-matching increase of activation. The findings propose that the YAP response might to some extent be determined by integrin activation. However, it has yet been impossible to decouple the effect of the Hippo signaling.}},
  author       = {{Grudtsyna, Valeriia}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Mapping the relationship between integrin activation, focal adhesion organization and mechanotransduction in fibroblasts}},
  year         = {{2021}},
}