Integrin activity regulation in mechanosensing: Integrin beta1 activity and extracellular matrix crosstalk

Abstract

Cell functions are highly dependent on the physical properties of the extracellular matrix (ECM). Integrins are transmembrane receptors providing the main molecular link that attaches cells to the ECM. The distinct biochemical and mechanical properties of integrins enable them to act as bi-directional signalling-hubs. By probing the ECM stiffness via integrin adhesions, cells respond to the rigidity of their environment by tuning proliferation, gene expression and even their epigenetic landscape. Furthermore, integrin adhesions allow cells to exert actomyosingenerated force on the ECM, enabling processes such as cell migration and ECM remodelling. Consequently, integrin activity needs to be thoroughly regulated on several levels. While the role of integrins as key cellular mechanosensors is well established, the link between mechanosensing and integrin activity regulation by integrin inactivators and newly synthesized integrins, is poorly understood. In this thesis, I have identified the integrin activity inhibitor SHARPIN as an important regulator of ECM remodelling in the developing mammary gland. By regulating the levels of the collagen-binding integrin α11β1, SHARPIN affects the force generation capacity of mammary gland stromal fibroblasts and thereby their ability to remodel and assemble the ECM to support normal mammary gland development. Furthermore, I have investigated the trafficking and localization of newly synthesized integrin α5β1. My results show that newly synthesized integrins are trafficked in a polarized manner to the tip of adhesions where they contribute to adhesion growth in a ligand-dependent manner. In addition, we find that a subset of newly synthesized integrin α5 can undergo unconventional secretion, to be rapidly trafficked to cell adhesions. Together, these results provide novel insights of how the crosstalk between the ECM and integrin activity regulates cell behaviour, and may be essential in understanding the pathological cell migration and ECM remodeling events in cancer.

Integriinien aktiivisuus säätely mekanotunnustelussa

Soluväliaineen fyysiset ominaisuudet vaikuttavat eri solutoimintoihin, kuten solun liikkumiseen ja solunjakautumiseen. Integriinit läpäisevät solukalvon, tarjoavat soluille mekanismin sitoutua soluväliaineeseen ja toimivat kaksisuuntaisina signaalinvälittäjinä. Tunnustelemalla soluväliaineen jäykkyyttä integriinien kautta, solut reagoivat jäykkyyteen säätelemällä solunjakautumista, geenien ilmentymistä ja jopa epigeneettistä tilaa. Integriini-adheesiot välittävät myös solujen aktiinitukirangan tuottamat voimat soluväliaineeseen, täten mahdollistaen toimintoja kuten solujen liikkumista ja soluväliaineen uudelleenmuokkaamista. Integriinien aktiivisuus ja siitä riippuvainen voimansiirto ovat tästä johtuen olennaisia solutoiminnoissa, jotka liittyvät sekä yksilönkehitykseen että erilaisiin sairauksiin. Tästä syystä, integriinien aktiivisuus on tarkasti säädeltyä monella eri tasolla. Vaikka integriinien toiminta mekaanisina antureina tunnetaan hyvin, voimansiirron ja integriinien aktiivisuusäätelyn välinen yhteys tunnetaan huonosti. Tässä väitöskirjatutkimuksessa olen tunnistanut integriiniaktiivisuusinhibiittorin SHARPIN:in tärkeänä säätelijänä soluväliaineen muokkaamisessa rintarauhasen kehityksessä. Säätelemällä kollageenia sitovan integriini α11β1 tasoja, SHARPIN vaikuttaa rintarauhasen tukikudossolujen voimaansiirtokapasiteettiin ja täten niiden kykyyn muokata soluväliainetta kehittyvässä rintarauhasessa. Lisäksi olen tutkinut vasta tuotettujen integriini α5β1-reseptorien kalvokuljetusta ja kohdentamista soluissa. Tulokseni osoittavat, että vasta tuotettujen integriinien kalvokuljetus on polarisoitunutta siten, että nämä integriinit lokalisoituvat adheesioiden päihin, edesauttaen adheesioiden kasvua ligandi-riippuvaisella tavalla. Osa vastatuotetuista integriineistä erittyy myös epätavanomaisesti solun pinnalle ohittaen Golgi-välitteisen erityksen kulkeutuen nopeasti adheesioihin. Väitöskirjani löydökset tarjoavat uutta tietoa integriinien ja soluväliaineen vuorovaikutuksesta ja näiden osuudesta solutoiminnan säätelyssä. Nämä löydökset saattavat auttaa paremmin ymmärtämään syövässä esiintyviä tautimekanismeja, kuten soluliikkumista ja soluväliaineen muokkaamista.