German Title: Die Molekulardynamik der Membran-Talin-Vinculin-Achse unter Kraft

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Abstract

Most multi-cellular organisms depend on adhesion mechanisms to provide stability and a pathway for the transduction of information between cells and the extra cellular matrix. Tissue cells can sense and react to the mechanical properties of their local environment which can steer cellular proliferation, migration, as well as differentiation in stem cells. Focal Adhesions are multi-protein assemblies that constitute the mechanosensitive link between ECM and the actin cytoskeleton. Two major FA proteins, talin and vinculin, exhibit an auto-inhibited conformation in the cytoplasm, yet the molecular process that regulates their activation and allows them to unfold their full signalling potential remains widely unknown.

Using extensive molecular dynamics (MD) simulations we reveal a mechanism by which a flexible loop on the talin FERM domain serves as a first contact point with PIP2 lipids in the cellular membrane and subsequently promotes membrane interactions that can compete with the autoinhibitory link to the talin rod domain. We demonstrate that a variety of vinculin binding sites in the talin rod bind to vinculin in a highly force-regulated manner. We describe on an atomistic level a mechanism in which VBS-binding competes with the autoinhibitory link to the vinculin tail, which was corroborated by a collaborator in magnetic tweezers experiments. Lastly, force-probe MD simulations helped to identify the residues involved in the VBS-induced weakening of the vinculin head-tail interface, facilitating protein activation. With this, we propose two novel vinculin mutants that mimic the effect of talin association and show significantly increased interactions with actin -- comparable to VBS-activated wild-type vinculin -- in experiments carried out by collaboration partners.

Summarized, our findings provide novel insights into the molecular underlying of talin and vinculin activation which help to improve our understanding of hierarchical FA maturation and mechanotransduction.

Translation of abstract (German)

Die meisten multizellulären Organismen sind auf Adhäsionsmechanismen angewiesen, um Stabilität zu gewährleisten und einen Weg für die Informationsübertragung zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix (ECM) zu schaffen. Gewebezellen können die mechanischen Eigenschaften ihrer lokalen Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren, was zelluläre Prozesse wie Proliferation, Migration sowie die Differenzierung von Stammzellen steuern kann. Fokale Adhäsionen (FA) sind Zusammenschlüsse mehrerer Proteine, die das mechanosensitive Bindeglied zwischen der ECM und dem Aktinzytoskelett darstellen. Zwei wichtige FA-Proteine, Talin und Vinculin, weisen im Zytoplasma eine autoinhibierte Konformation auf, doch der molekulare Prozess, der ihre Aktivierung steuert und es ihnen ermöglicht, ihr volles Signalpotenzial zu entfalten, ist noch weitgehend unbekannt. Mithilfe umfangreicher Molekulardynamiksimulationen (MD) decken wir einen Mechanismus auf, in dem eine flexible Schleife an der Talin-FERM-Domäne als erster Kontaktpunkt mit PIP2-Lipiden in der Zellmembran dient und anschließend Membraninteraktionen fördert, die mit der autoinhibitorischen Verbindung zur Talin-Stabdomäne konkurrieren können. Wir zeigen, dass eine Vielzahl von Vinculin-Bindungsstellen (VBS) in der Talin- Stabdomäne in einer stark kraftregulierten Weise an Vinculin binden. Auf atomistischer Ebene beschreiben wir einen Mechanismus, bei dem die VBS-Bindung mit der autoinhibitorischen Verbindung zum Vinculin-Schwanz konkurriert, was von einem Experimentator mit der magnetischen Pinzette bestätigt wurde. Schließlich halfen MD-Kraftsonden- Simulationen bei der Identifizierung derer Aminosäuren, die an der VBS-induzierten Schwächung der Vinculin-Kopf-Schwanz-Grenzfläche beteiligt sind und so die Aktivierung des Proteins erleichtern. Auf dieser Grundlage schlagen wir zwei neue Vinculin-Mutanten vor, die den Effekt der Talin-Assoziation nachahmen und in Experimenten von Kolla- borationpartnern signifikant erhöhte Interaktionen mit Aktin zeigen - vergleichbar mit VBS-aktiviertem Wildtyp-Vinculin. Zusammengefasst bieten unsere Ergebnisse neue Einblicke in die molekularen Grundlagen der Talin- und Vinculin-Aktivierung, die dazu beitragen, unser Verständnis der hierarchischen FA-Reifung und Mechanotransduktion zu verbessern.