收縮力主要來自于貼壁細胞中肌動球蛋白束和應力纖維或是非貼壁細胞中的皮質(zhì)網(wǎng)絡。多項證據(jù)表明，肌動蛋白絲束與網(wǎng)絡中的其他部分能夠形成相互連接且可相互轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)。目前，在整個細胞內(nèi)調(diào)節(jié)局部力的產(chǎn)生和傳遞的機制仍然有待探索。然而，受到技術(shù)限制，想要在操縱整個網(wǎng)絡的同時在整個細胞水平上測量對力產(chǎn)生的影響依舊困難重重。
應力纖維（stress fiber）是真核細胞中廣泛存在的微絲束結(jié)構(gòu)，它主要由兩種類型的肌動蛋白纖維，周向弧狀纖維（transverse arc）和徑向纖維（radial fiber）相互作用與融合而成。因此，肌動球蛋白網(wǎng)絡由內(nèi)部互連的伸縮單元組成，這些單元橫跨整個細胞質(zhì)，并在細胞內(nèi)長距離傳輸機械力。實驗表明，沿著特定肌動球蛋白束的定向力能夠傳播到互連的其他束中。因此應力纖維中的張力不僅取決于在該纖維中產(chǎn)生的力，而且還取決于相鄰纖維的連接和取向。肌動球蛋白束之間的這種高度互連可以在細胞水平上提供機械連貫性。但是，目前尚不清楚力是如何在應力纖維之間傳遞的。
近日，法國Grenoble-Alpes大學的Manuel Théry、Laetitia Kurzawa和Paris Diderot大學的Manuel Théry合作，通過結(jié)合使用水凝膠微圖案，牽引力顯微鏡和激光燒蝕等技術(shù)，測量了響應局部光燒蝕的牽引力松弛，探討了這些互連對整個細胞中牽引力產(chǎn)生和分布的機械影響。實驗結(jié)果和建模數(shù)據(jù)表明，絲束完全嵌入到皮質(zhì)細絲的連續(xù)可收縮網(wǎng)絡中。而且，這些束的收縮在整個細胞中的傳播依賴于這種嵌入模式。此外，這些絲束似乎是來自周圍網(wǎng)絡中薄而未連接的皮質(zhì)肌動蛋白絲的排列和聚結(jié)。該研究以題為“Stress fibres are embedded in a contractile cortical network”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Materials》上。
【應力纖維提供高收縮力】
作者將細胞涂聚丙烯酰胺水凝膠上制成的啞鈴形或藥丸形微圖案上，來探究肌動蛋白束的存在是否會影響牽引力的大小和分布。啞鈴形的微圖案能夠促進細胞中兩種應力纖維的組裝，而藥丸形的微圖案能夠促進更加均勻的肌動蛋白細絲網(wǎng)絡的形成（圖1a，b）。使用牽引力顯微鏡測量二者產(chǎn)生的收縮力。結(jié)果顯示，包含應力纖維（啞鈴形微圖案）的細胞所產(chǎn)生的機械能比不含應力纖維的細胞（藥丸形微圖案）產(chǎn)生的機械能高得多（圖1c，d ）。這意味著應力纖維對細胞產(chǎn)生和傳遞力的大小起著主要作用。
圖1 應力纖維對細胞牽引力大小的影響
通過局部脈沖激光燒蝕將應力纖維切斷了一半，并通過在水凝膠基底來捕獲纖維中張力的釋放（圖1e）。?實驗結(jié)果表明一條纖維釋放出的能量約為細胞產(chǎn)生的總機械能的25％（圖1e，f），遠低于預期的50％，意味著細胞總機械能并不是應力纖維能量的簡單相加。
【應力纖維與周圍肌動蛋白網(wǎng)絡互連】
進一步的研究發(fā)現(xiàn)，這些應力纖維不是孤立的，而是相互連接的可伸縮單元。當應力纖維被切斷時，這些單元會抵抗這種變形（圖2a-c）。
重要的是，與傳統(tǒng)的應力纖維僅拉動局部粘連的觀點相反，應力纖維與鄰近肌動蛋白細胞骨架元素的連接表明在纖維被激光切斷后，纖維的張力被重新分配到周圍的網(wǎng)絡中。因此，被切斷的纖維的其余部分仍然處于張力之下（圖2d,e）。
研究表明，外圍應力纖維與內(nèi)部其他纖維的分離連接會影響纖維在切斷后的松弛圖案。然而，作者觀察到的切斷的外周應力纖維的不完全松弛圖案與內(nèi)部纖維的相互連接并沒有系統(tǒng)的聯(lián)系?；诖?，作者提出假設：應力纖維被連接到了低密度且廣泛的肌動蛋白網(wǎng)絡中（圖2f-h）。
圖2 應力纖維被連接到周圍肌動蛋白網(wǎng)絡中
【對嵌入彈性網(wǎng)絡中的應力纖維建模】
為了研究這種嵌入在皮質(zhì)網(wǎng)絡中的肌動蛋白纖維網(wǎng)絡的性質(zhì)，作者創(chuàng)建了一個新的生物物理模型。在這個模型中，應力纖維并沒有連接到細胞外基質(zhì)，而是連接到相鄰的皮層網(wǎng)（圖3a）。
模型還準確地解釋了從模擬激光燒蝕部位遠端纖維收縮的情況（圖3c）。并捕獲了同一根纖維二次激光切斷后額外的能量釋放（圖3d）。
在實驗中，應力纖維被切斷后兩個部分的張力釋放上是不相等的。相比之下,一個孤立的應力纖維卻會釋放等量的兩端張力。這表明，皮層網(wǎng)不僅影響牽引力的大小，而且影響牽引力產(chǎn)生的空間分布（圖3e）。由于模型的預測與實驗測量的另一半細胞在纖維光燒蝕后牽引力損失之間存在著差異（圖3f，g），作者決定進一步研究皮層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的機械性質(zhì)。
圖3彈性網(wǎng)絡中的應力纖維模型
【模型修改，皮質(zhì)網(wǎng)也是可收縮的】
與外圍應力纖維的燒蝕相比，皮質(zhì)網(wǎng)的局部燒蝕并沒有釋放可觀的能量。然而，應力纖維的消除（即皮質(zhì)網(wǎng)的縱向光燒蝕），卻導致了收縮能量的顯著釋放（圖4a,b）。這意味著皮層網(wǎng)絡積極地參與了牽引力的產(chǎn)生。
基于此作者對初始的模型進行了修改，將收縮性作為皮質(zhì)網(wǎng)的一個函數(shù)（圖4c），實現(xiàn)了理論模型與實驗觀察更加吻合，驗證了應力纖維和皮質(zhì)網(wǎng)絡都是彈性可收縮的假設。因此，應力纖維和皮層網(wǎng)絡可能并不是離散互連的不同網(wǎng)絡，而是單個集成網(wǎng)絡的一部分，其中肌動球蛋白陣列的結(jié)構(gòu)和力學在空間上是不同的。
圖4 皮質(zhì)收縮網(wǎng)絡
【皮質(zhì)網(wǎng)與應力纖維形成了連續(xù)體】
進一步的研究顯示，應力纖維通過多條纖維連接到覆蓋在質(zhì)膜上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中（圖5a），并不是一個孤立結(jié)構(gòu)，但是與胞質(zhì)網(wǎng)狀組織形成了連續(xù)結(jié)構(gòu)（圖5b）。隨機光學重建顯微鏡下，可以看到應力纖維完全纏繞在皮質(zhì)網(wǎng)絡中，而不是兩個截然不同的相互疊加的網(wǎng)絡（圖5c,d）。此外，盡管應力纖維和皮質(zhì)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)不同，但是他們共享幾個參與收縮調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子（圖5e）。
圖5 應力纖維完全嵌入到周圍的肌動蛋白皮質(zhì)中
實時成像技術(shù)顯示，盡管細胞沒有移動，但是肌動蛋白網(wǎng)絡顯示出永久性的重組，證實了之前提出的細胞質(zhì)束可以與外圍纖維融合或分離這一假設（圖6a）。有趣的是，在束密度較低的區(qū)域，能夠在皮質(zhì)網(wǎng)中觀察到新束的形成（圖6c）。這種側(cè)向擴張和伸展進一步支持了與相鄰皮層網(wǎng)的收縮性相關(guān)的側(cè)向力的存在。
束的擴展和合并有時會導致準連續(xù)結(jié)構(gòu)的形成，在這種結(jié)構(gòu)中，幾乎無法將單個束區(qū)分開來(圖6e)。這表明，應力纖維不僅與皮層網(wǎng)相連接，而且可能源于皮層中纖維的結(jié)合，這一組裝過程進一步解釋了它們完全嵌入這個網(wǎng)的原因(圖6f)。
圖6 胞質(zhì)束在皮質(zhì)網(wǎng)中的出現(xiàn)與遷移
總結(jié)：作者揭示了細胞內(nèi)力的產(chǎn)生與傳遞機制，證明了應力纖維完全嵌入到收縮的皮層肌動蛋白網(wǎng)絡中，而不是獨立的或是與其他應力纖維有離散互連結(jié)構(gòu)。這種應力纖維和皮質(zhì)細絲的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成了一個機械連續(xù)體。由應力纖維產(chǎn)生的收縮力不僅表現(xiàn)在應力纖維錨點上，而且還通過皮質(zhì)網(wǎng)絡傳播到整個細胞。此外，作者還證明了皮質(zhì)網(wǎng)的收縮積極地促進了牽引力傳遞到局部粘連，從而影響了細胞收縮能量的總體大小。
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