German Title: Erforschung der mechanischen Signalübertragung an zellulären Kraftübertragungszentren mit Hilfe von molekularen Simulationen

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Abstract

Cells are subjected to mechanical forces and must sense and adequately react to them in order to develop and survive – a process known as mechanotransduction. This conversion of mechanical into biochemical signals is clustered at mechanotransduction hubs, i.e. protein complexes specialized for this purpose. Two examples of such hubs are on the one hand focal adhesions at the plasma membrane, which mediate signaling of the cellular inside with the outside matrix, and on the other hand the kinetochores, which control the proper segregation of chromosomes during cell division. In this work, I primarily used molecular dynamics simulations to investigate one protein from each of these two mechanotransduction hubs to further decipher their mechanisms for transducing mechanical signals. For the crucial focal adhesion component Integrin-linked Kinase (ILK) I elucidated a non-conventional function of ATP-binding to the pseudokinase ILK. ATP promotes the structural stability of ILK and allosterically influences the interaction between ILK and its binding partner parvin, which leads to enhanced mechanoresistance of the ILK:parvin complex. Cell-level experiments from collaborators demonstrated that these features result in focal adhesion stabilization and proper traction force buildup, whichmanifests itself in efficient cell migration. Combined, these results suggest that ILK, stabilized and altered by the presence of ATP, might be capable to function as an active mechanotransducer. The partially disordered inner centromere protein (INCENP), on the other hand, is a passive participant in mechanotransduction at kinetochores. I detected that its disordered region transitions from globular to coil states in response to phosphorylation, which considerably tunes its length and may influence its phase separation properties. These features would allow INCENP to act as length-variable tether to regulate the activity of the chromosome segregation kinase Aurora B by controlling Aurora B’s access to targets in response to kinetochore tension. My work thus sheds light on two widely different mechanisms by which non-enzymatic scaffold proteins are involved in mechanotransduction. In this way, we are expanding our palette of the manifold principles of mechanical signaling and thereby coming closer to grasping the complexity of cells.

Translation of abstract (German)

Zellen sind mechanischen Kräften ausgesetzt und müssen diese, um sich zu entwickeln und zu überleben, wahrnehmen und angemessen darauf reagieren – die sogenannte Mechanotransduktion. Diese Umwandlung von mechanischen zu biochemischen Signalen findet an Mechanotransduktionszentren statt, d.h. in Proteinkomplexen, die für diesen Zweck spezialisiert sind. Zwei Beispiele solcher Zentren sind zum einen die fokalen Adhäsionen an der Zellmembran, welche die Signalübertragung zwischen dem Zellinneren und der äußeren Matrix vermitteln, und zum anderen die Kinetochore, die im Zuge der Zellteilung die korrekte Trennung der Chromosomen sicherstellen. Unter Verwendung von in erster Linie molekulardynamischen Simulationen habe ich in dieser Arbeit jeweils ein Protein dieser beiden Mechanotransduktionszentren untersucht, um ihre Mechanismen zur Übertragung mechanischer Signale weiter zu entschlüsseln. Für die Integrin-linked Kinase (ILK), eine wichtige Komponente fokaler Adhäsionen, habe ich eine unkonventionelle Funktion der ATP-Bindung an die Pseudokinase ILK aufgeklärt. ATP unterstützt die strukturelle Stabilität von ILK und beeinflusst allosterisch die Interaktion zwischen ILK und seinem Bindungspartner Parvin. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Widerstandsfähigkeit des ILK:Parvin-Komplexes. Experimente von Kollaborationspartner*innen auf Zellebene zeigten, dass diese Eigenschaften eine Stabilisierung fokaler Adhäsionen und eine ordnungsgemäße Erzeugung von Zugkräften bewirken, was sich in effizienter Zellmigration äußert. Diese kombinierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass ILK, stabilisiert und verändert durch die Anwesenheit von ATP, in der Lage sein könnte als aktiver Mechanotransduktor zu fungieren. Das zum Teil ungeordnete innere Zentromerprotein (INCENP) hingegen ist ein passiver Teilnehmer der Mechanotransduktion an Kinetochoren. Ich habe nachgewiesen, dass der ungeordnete Bereich von INCENP in Abhängigkeit von Phosphorylierungen von kompakten, kugelähnlichen Zuständen zu gestreckten Zuständen übergeht, was seine Länge erheblich verändert und seine Phasentrennungseigenschaften beeinflussen kann. Diese Merkmale würden es INCENP erlauben, die Aktivität der Kinase Aurora B zu regulieren, indem es als längenveränderlicher Anker agiert, um so den Zugriff von Aurora B zu seinen Substraten im Zusammenspiel mit der Kinetochorspannung zu kontrollieren. Meine Arbeit beleuchtet somit zwei sehr unterschiedliche Mechanismen, durch die nicht-enzymatische Gerüstproteine an der Mechanotransduktion beteiligt sind. Dadurch erweitern wir die Palette der vielfältigen Prinzipien von mechanischer Signalübertragung und kommen so dem Verständnis der Komplexität der Zelle näher.