Fångstband
En catch bond är en typ av icke-kovalent bindning vars dissociationslivslängd ökar med dragkraft som appliceras på bindningen. Normalt förväntas bindningslivslängderna minska med kraft. När det gäller fångstbindningar ökar faktiskt bindningens livslängd upp till ett maximum innan den minskar som i en vanlig bindning. Catch bonds fungerar på ett sätt som är konceptuellt likt det för en kinesisk fingerfälla . Medan fångstbindningar stärks av en ökning i kraft, är kraftökningen inte nödvändig för att bindningen ska fungera. Fångstbindningar misstänktes i många år spela en roll i rullningen av leukocyter , eftersom de var tillräckligt starka för att rulla i närvaro av höga krafter orsakade av höga skjuvspänningar , samtidigt som de undviker att fastna i kapillärer där vätskeflödet, och därför skjuvspänningen, är låg. Förekomsten av fångstbindningar diskuterades i många år tills starka bevis på deras existens hittades i bakterier. Definitivt bevis på deras existens kom kort därefter i leukocyter.
Upptäckt
Catch bonds föreslogs först 1988 i Proceedings of the Royal Society av M. Dembo et al. vid Los Alamos National Laboratory . Medan man utvecklade en molekylär modell för att studera den kritiska spänning som krävs för att lossa ett membran bundet till en yta genom adhesionsmolekyler, fann man att det är teoretiskt möjligt för bindningsdissociation att ökas med kraft, minskas med kraft och oberoende av kraft. Termerna " slip bond ", "catch bond" och "ideal bond" myntades av Dembo för att beskriva dessa tre typer av obligationsbeteenden.
Slip bonds representerar det vanliga beteendet som ursprungligen modellerades av G. Bell, Dembos tidigare postdoktorala mentor vid Los Alamos National Laboratory 1978. Slip bonds stöddes av flödeskammarexperiment där krafter appliceras på molekylära bindningar som länkar celler till kammargolvet under skjuvflöde. Som jämförelse hittades inga avgörande bevis för fångstbindningar förrän 2003. Detta beror på experimentella förhållanden som var ogynnsamma för att upptäcka fångstbindningar, samt på själva bindningarnas kontraintuitiva karaktär. Till exempel utfördes de flesta tidiga experiment i plattor med 96 brunnar, en miljö som inte ger något flöde. Vissa experiment misslyckades med att producera skjuvspänning som nu är känd för att vara avgörande för att förlänga livslängden för fångbindningar, medan andra experiment utfördes under flödesförhållanden för svaga eller för starka för optimal skjuvningsinducerad förstärkning av dessa bindningar. Slutligen fann Marshall och medarbetare att P-selektin : PSGL-1- bindningar uppvisade ökande bindningslivslängd då stegbelastningar applicerades mellan 0 och ~10 pN för monomer interaktion men 1 och ~20 pN för dimer interaktion, vilket uppvisade catch bond-beteende; efter att ha nått maximala värden, som var ~0,6 och 1,2 sekunder för monomer respektive dimer interaktion, sjönk bindningslivslängden snabbt vid högre belastningar, vilket visade glidbindningsbeteende ("catch-slip"-bindningar). Dessa data samlades in med hjälp av ett atomkraftsmikroskop och en flödeskammare, och har därefter duplicerats med hjälp av en biomembrankraftsond.
Dessa fynd föranledde upptäckterna av andra viktiga fångstbindningar på 2000-talet, inklusive de mellan L-selektin och PSGL-1 eller endoglykan, FimH och mannos, myosin och aktin, trombocytglykoprotein Ib och von Willebrand-faktor, och integrin alfa 5 beta 1 och fibronektin. För att betona deras betydelse och allmän acceptans publicerades det under de tre åren efter upptäckten av dem minst 24 artiklar om fångstobligationer.
Fler fångstbindningar upptäcktes på 2010-talet, inklusive E-selektin med kolhydratligander, G-aktin med G-aktin eller F-aktin, cadherin-catenin-komplex med aktin, vinkulin med F-aktin, mikrotubuli med kinetokorpartikel, integrin alfa L beta 2 och intercellulär adhesionsmolekyl 1 (ICAM-1), integrin alfa 4 beta 1 med vaskulär adhesionsmolekyl 1, integrin alfa M beta 2 med ICAM-1, integrin alfa V beta 3 med fibronektin och integrin alfa IIb beta 3 med fibronektin eller fibrinogen.
Sivasankar och hans forskargrupp har funnit att mekanismen bakom det förbryllande fenomenet beror på långlivade, kraftinducerade vätebindningar. Med hjälp av data från tidigare experiment använde teamet molekylär dynamik för att upptäcka att två stavformade cadheriner i en X-dimer bildade fångstbindningar när de drogs och i närvaro av kalciumjoner. Kalciumjonerna håller cadherinerna styva, medan dragning för proteinerna närmare varandra, vilket gör att vätebindningar kan bildas. Mekanismen bakom fångstbindningar hjälper till att förklara biofysiken bakom cell-celladhesion. Enligt forskarna är "Robust kadherinvidhäftning väsentligt för att upprätthålla integriteten hos vävnad som hud, blodkärl, brosk och muskler som utsätts för kontinuerliga mekaniska angrepp."
Ovanstående fångstbindningar bildas mellan adhesionsreceptorer och ligander, och bland strukturella molekyler och motorproteiner, som bär kraft eller genererar kraft i sin fysiologiska funktion. En intressant ny utveckling är upptäckterna av fångstbindningar som bildas mellan signalreceptorer och deras ligander. Dessa inkluderar bindningar mellan T-cellsantigenreceptorer (TCR) eller pre-TCR och peptid som presenteras av huvudhistokompatibilitetskomplex (pMHC) molekyler, Fc gammareceptor och IgG Fc, och notchreceptor och ligander. Närvaron av fångstbindningar i interaktionerna mellan dessa signalreceptorer (snarare än adhesion) har föreslagits vara en indikation på en möjlig roll för dessa receptorer som mekanoreceptorer.
Trefasiska bindningar
Andra typer av "dynamiska bindningar" har definierats utöver de ursprungliga typerna av catch bonds, slip bonds och ideal bonds klassificerade av Dembo. Till skillnad från glidbindningar, som har observerats i hela det testade kraftområdet, existerar fångbindningar endast inom ett visst kraftområde eftersom varje molekylär bindning så småningom skulle övermannas av tillräckligt hög kraft. Därför följs catch bonds alltid av slip bonds, därav kallade "catch-slip bonds". Fler variationer har också observerats, t.ex. trifasiska slip-catch-slip-bindningar.
Flexbindningar
Övergången mellan fång- och glidbindningar har modellerats som molekylär dissociation från två bindningstillstånd längs två vägar. Dissociation längs varje väg resulterar enbart i en glidbindning men med olika hastigheter. Vid låga krafter sker dissociation övervägande längs den snabba vägen. Ökande kraft lutar det flerdimensionella energilandskapet för att växla dissociationen från snabb väg till långsam väg, vilket manifesterar catch bond. När dissociation längs den långsamma vägen dominerar, accelererar ytterligare ökning av kraft dissociationen, vilket manifesterar glidbindning. Detta växlingsbeteende kallas även flex bond.
Dynamisk fångst
Ovanstående bindningar involverar bimolekylära interaktioner, vilket utan tvekan representerar de enklaste typerna. En ny typ av fångstbindningar uppstår när trimolekylära interaktioner är inblandade. I sådana fall kan en molekyl interagera med de två motmolekylerna genom att använda två bindningsställen, antingen separat, dvs en i taget i frånvaro av den andra för att bilda bimolekylära bindningar, eller samtidigt bilda en trimolekylär bindning när båda motmolekylerna är närvarande. En intressant upptäckt är att även när de två bimolekylära interaktionerna beter sig som glidbindningar, kan den trimolekylära interaktionen uppträda som catch bond. Denna nya typ av catch bond, som kräver samtidig och kooperativ bindning, kallas dynamisk catch.
Cyklisk mekanisk förstärkning
De flesta fångbindningar demonstrerades med hjälp av kraft-klämkraftspektroskopi där en konstant kraft belastas på bindningen vid initial rampning för att observera hur länge bindningen varar, dvs. mäter bindningens livslängd vid en konstant kraft. Catch-bindningar avslöjas när den genomsnittliga bindningslivslängden (ömsesidigt relaterad till graden av bindningsdissociation) ökar med den fastklämda kraften. Zhu och kollegor visade att bindningslivslängden uppmätt vid kraftklämningsfasen kan förlängas avsevärt om den initiala rampningen inkluderade två former av förkonditionering: 1) ladda bindningen genom att rampa kraften till en hög nivå (toppkraft) innan klämningen kraft på en låg nivå för livstidsmätning, och 2) ladda och lossa bindningen upprepade gånger genom flera kraftcykler innan kraften kläms fast vid ett toppvärde för livstidsmätning. Denna nya bindningstyp, kallad cyklisk mekanisk förstärkning (CMR), skiljer sig från catch bond, men den liknar ändå catch bond genom att bindningens livslängd ökar med toppkraften och med antalet cykler som används för att förkonditionera bindningen. CMR har observerats för interaktioner mellan integrin alfa 5 beta 1 och fibronektin och mellan G-aktin och G-aktin eller F-aktin.
Tvinga historiskt beroende
CMR-fenomenet indikerar att hur länge en bindning kan upprätthålla kraft på en given nivå kan bero på kraftanvändningens historia innan den når den kraftnivån. Med andra ord beror "hastighetskonstanten" för molekylär dissociation vid en konstant kraft inte bara på kraftens värde vid den aktuella tidpunkten utan också på den tidigare krafthistoria som bindningen har upplevt tidigare. Detta har verkligen observerats för interaktioner av P-selektin med PSGL-1 eller anti-P-selektinantikropp, L-selektin med PSGL-1, myosin med aktin, integrin alfa V beta 3 med fibrinogen och TCR med pMHC.
Olika fångstbindningar av specifika molekylära interaktioner
Selectin bond
Bakgrund
Leukocyter , liksom andra typer av vita blodkroppar, bildar normalt svaga och kortlivade bindningar med andra celler via selectin . Belagda utanför membranet av leukocyter är mikrovilli , som har olika typer av adhesiva molekyler, inklusive P-selektinglykoproteinligand-1 (PSGL-1), ett glykoprotein som normalt är dekorerat med sulfaterad sialyl-Lewis x. den sulfaterade-sialyl-Lewis-x-innehållande PSGL-1-molekylen har förmågan att binda till vilken typ av selektin som helst. Leukocyter uppvisar också L-selektin som binder till andra celler eller andra leukocyter som innehåller PSGL-1-molekyler.
Ett viktigt exempel på fångstbindningar är deras roll vid extravasering av leukocyter . Under denna process rör sig leukocyter genom cirkulationssystemet till infektionsställen, och på så sätt "rullar" de och binder till selektiva molekyler på kärlväggen. Även om de kan flyta fritt i blodet under normala omständigheter, skjuvspänning som induceras av inflammation leukocyter att fästa vid endotelkärlväggen och börjar rulla i stället för att flyta nedströms. Detta "skjuvtröskelfenomen" karakteriserades ursprungligen 1996 av Finger et al. som visade att leukocytbindning och rullning genom L-selektin endast upprätthålls när en kritisk skjuvningströskel appliceras på systemet. Flera beviskällor har visat att fångstbindningar är ansvariga för tjuder- och rullmekanismen som gör att denna kritiska process kan inträffa. Catch bonds tillåter ökande kraft för att omvandla kortlivade tjuder till starkare, längre livslängd bindande interaktioner, vilket minskar rullningshastigheten och ökar regelbundenheten i rullningsstegen. Denna mekanism fungerar dock bara med en optimal kraft. När skjuvkraften ökar förbi denna kraft, återgår bindningarna till glidbindningar, vilket skapar en ökning i hastighet och oregelbunden rullning.
Leukocytadhesion medierad av skjuvspänning
I blodkärl, vid mycket låg skjuvspänning på ~,3 dyn per kvadratcentimeter, fäster inte leukocyter till blodkärlets endotelceller . Celler rör sig längs blodkärlet med en hastighet som är proportionell mot blodflödet. När skjuvspänningen passerar det skjuvtröskelvärdet börjar leukocyter ackumuleras via selektinbindning. Vid låg skjuvspänning över tröskeln på cirka 0,3 till 5 dyn per kvadratcentimeter växlar leukocyter mellan bindande och icke-bindande. Eftersom en leukocyt har många selektiner runt ytan, orsakar dessa selektinbindningar/avbindande en rullande rörelse på blodkärlet. När skjuvspänningen fortsätter att öka, blir selektinbindningarna starkare, vilket gör att rullningshastigheten blir långsammare. Denna minskning av leukocyternas rullningshastighet tillåter celler att stoppa och utföra fast bindning via integrinbindning . Selectin-bindning uppvisar inte "sanna" catch bond-egenskap. Experiment visar att vid mycket hög skjuvpåkänning (passar ett andra tröskelvärde) går selektinbindningen mellan en fångbindning till en glidbindningsbindning , där rullningshastigheten ökar när skjuvkraften ökar.
Leukocytrullning förmedlad av catch-slip-övergång
Forskare har antagit att leukocyternas förmåga att bibehålla vidhäftning och rullning på blodkärlsväggen kan förklaras av en kombination av många faktorer, inklusive cellutplattning för att bibehålla en större bindningsyta och minska hydrodynamiskt motstånd, samt tjuder som håller fast baksidan av den rullande cellen till endotelet bryts och slängs till framsidan av den rullande cellen för att åter fästa till endotelväggen. Dessa hypoteser fungerar bra med Marshalls fynd från 2003 att selektinbindningar går igenom en "catch-slip"-övergång där initiala ökningar av skjuvkraften stärker bindningen, men med tillräckligt med pålagd kraft börjar bindningslivslängderna avta exponentiellt . Därför skulle den svaga bindningen av en sele vid framkanten av en rullande leukocyt initialt förstärkas när cellen rullar längre och spänningen på bindningen ökar, vilket förhindrar cellen från att dissociera från endotelväggen och flyta fritt i blodomloppet trots hög skjuvkrafter. Men vid cellens bakkant blir spänningen tillräckligt hög för att överföra bindningen från hake till slip, och bindningarna som tjuder bakkanten bryts så småningom, vilket gör att cellen kan rulla vidare istället för att förbli stationär.
Föreslagna verkningsmekanismer
Allosterisk modell
Även om fångstbindningar nu är allmänt erkända, är deras verkningsmekanism fortfarande under tvist. Två ledande hypoteser dominerar diskussionen. Den första hypotesen ligand , den allosteriska modellen, härrör från bevis för att röntgenkristallografi av selectinproteiner visar två konformationstillstånd: en böjd konformation i frånvaro av och en utökad konformation i närvaro av liganden. Huvuddomänerna involverade i dessa tillstånd är en lektindomän som innehåller ligandbindningsstället och en EGF -domän som kan skifta mellan böjda och utsträckta konformationer. Den allosteriska modellen hävdar att spänning på EGF-domänen gynnar den utökade konformationen, och förlängning av denna domän orsakar en konformationsförskjutning i lektindomänen, vilket resulterar i större bindningsaffinitet för liganden. Som ett resultat av denna konformationsförändring är liganden effektivt låst på plats trots spänning som utövas på bindningen.
Glidande-återbindande modell
Den glidande återbindningsmodellen skiljer sig från den allosteriska modellen genom att den allosteriska modellen förutsätter att endast ett bindningsställe existerar och kan ändras, men den glidande återbindande modellen anger att flera bindningsställen existerar och inte ändras av EGF-förlängning. Snarare, i den böjda konformationen som gynnas vid låga applicerade krafter är den applicerade kraften vinkelrät mot linjen av möjliga bindningsställen. Sålunda, när associationen mellan ligand och lektindomän avbryts, dissocierar bindningen snabbt. Vid större applicerade krafter förlängs dock proteinet och raden av möjliga bindningsställen är i linje med den applicerade kraften, vilket gör att liganden snabbt kan återassocieras med ett nytt bindningsställe efter att den initiala interaktionen har avbrutits. Med flera bindningsställen, och till och med förmågan att återassociera med det ursprungliga bindningsstället, skulle hastigheten för liganddissociation minska, vilket är typiskt för fångstbindningar.
Mekanism av en enda selektinbindning
En enda PSGL-1- och selektinbindning liknar konventionell proteinbindning när kraften hålls konstant, med en dissociationskonstant. När kraften som utövas börjar öka, minskar dissociationskonstanten, vilket gör att bindningen blir starkare. När kraften når en tröskelnivå på 11 pN börjar dissociationskonstanten att öka igen, vilket försvagar bindningen, vilket gör att bindningen uppvisar en glidbindningsegenskap.
FimH bindning
Bakgrund
Fångstbindningar spelar också en betydande roll i bakteriell vidhäftning, framför allt i Escherichia coli . E. coli och andra bakterier som finns i tarmen måste kunna fästa vid tarmväggar eller riskera att elimineras från kroppen genom avföring. Detta är möjligt tack vare det bakteriella proteinet FimH, som förmedlar hög vidhäftning som svar på högt flöde. Lektindomänen är en som tillhandahåller FimH-bindning av fångstbindningsegenskapen när den binds till mannosrester från andra celler. Experiment har visat att när kraft belastas snabbt, kunde bindningar överleva höga krafter, vilket pekar på att fånga bindningsbeteende. Catch bonds är ansvariga för att E. coli i urinvägarna inte kan elimineras under urinering, vilket leder till en urinvägsinfektion. Denna kunskap är viktig inte bara för att förstå bakterier, utan också för att lära sig hur anti-adhesiva teknologier kan skapas.
Bakterievidhäftning medierad av skjuvspänning
I likhet med selektinbindning har FimH-bindning också en tröskel där den bara börjar binda till värdcellerna över denna tröskel. Denna skjuvspänningströskel är cirka 1 dyn per kvadratcentimeter, något större än den för selektinbindning. Över denna tröskel växlar FimH också mellan bindning, paus och avbindning med mannosresterna. Men till skillnad från selektinbindning kan FimH-bindning till mannos-BSA antingen ha mycket långa eller mycket korta pauser. Detta gör att FimH-bindning uppvisar en "stick-and-roll"-adhesion, inte rulladhesion i fallet med selectin-bindning. Och till skillnad från selectinbindning som kräver integrin för att hjälpa till med fast vidhäftning, kan FimH-bindning bli stationär, och denna process är reversibel. Allt detta förmedlas av skjuvspänningsnivån: vid skjuvspänning högre än 20 dyn per kvadratcentimeter är FimH-bindningen stationär. Vid skjuvspänning högre än 100 dyn per kvadratcentimeter observeras långsam rullning.