Programmazione di assemblaggi multicellulari con molecole sintetiche di adesione cellulare

Natura volume 614, pagine 144–152 (2023) Citare questo articolo

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Le molecole di adesione cellulare sono onnipresenti negli organismi multicellulari, specificando precise interazioni cellula-cellula in processi diversi come lo sviluppo dei tessuti, il traffico di cellule immunitarie e il cablaggio del sistema nervoso1,2,3,4. Qui mostriamo che un'ampia gamma di molecole di adesione cellulare sintetiche può essere generata combinando interazioni extracellulari ortogonali con domini intracellulari di molecole di adesione native, come caderine e integrine. Le molecole risultanti producono interazioni cellula-cellula personalizzate con proprietà di adesione simili alle interazioni native. L'identità del dominio intracellulare delle molecole di adesione cellulare sintetiche specifica la morfologia e la meccanica dell'interfaccia, mentre diversi domini di interazione extracellulare omotipici o eterotipici specificano indipendentemente la connettività tra le cellule. Questo kit di strumenti di molecole di adesione ortogonali consente l'assemblaggio razionalmente programmato di architetture multicellulari, nonché il rimodellamento sistematico dei tessuti nativi. La modularità delle molecole di adesione cellulare sintetiche fornisce intuizioni fondamentali su come potrebbero essersi evolute classi distinte di interfacce cellula-cellula. Nel complesso, questi strumenti offrono potenti capacità per l'ingegneria cellulare e tissutale e per lo studio sistematico dell'organizzazione multicellulare.

La capacità di programmare sistematicamente l'adesione cellula-cellula fornirebbe nuovi potenti strumenti per studiare lo sviluppo, la neurobiologia e l'immunologia e potrebbe facilitare la riparazione dei tessuti multicellulari e la progettazione di cellule terapeutiche5,6 (Fig. 1a). Tuttavia, l’ingegneria dell’adesione nelle cellule metazoiche rimane un’area sottoesplorata nella biologia sintetica.

a, Diversi ruoli funzionali dell'adesione cellulare. b, La progettazione concettuale dei recettori synCAM. Il dominio extracellulare di una CAM (a sinistra) è sostituito da GFP e da un nanocorpo che lega la GFP (anti-GFP; a destra). Viene mostrato anche un controllo del cavo privo di ICD (al centro). c, Proiezione massima di immagini al microscopio confocale × 20 di interfacce synCAM a coppie. Barra della scala, 10 µm. t = 3 ore. Una cellula che esprime GFP (blu) è legata a una cellula che esprime anti-GFP (arancione). Sono indicati il ​​dominio CAM TM e ICD per ciascuna coppia (il cavo è il controllo privo di ICD) (in alto). In basso, il canale GFP delle interfacce sopra, evidenziando le differenze nell'arricchimento dei recettori all'interfaccia. I livelli di espressione synCAM corrispondenti sono mostrati nei dati estesi Fig. 1. d, Gli angoli di contatto misurati dalle interfacce mostrate in a. n = 20 (cavo), n = 20 (WT ECAD), n = 20 (DLL1), n ​​= 20 (JAM-B), n = 20 (NCAM-1), n ​​= 20 (ICAM-1), n = 20 (ECAD), n = 20 (ITGB1), n ​​= 20 (ITGB2), n = 15 (MUC4). Vengono mostrati anche gli angoli di contatto per l'interazione cellula-cellula omotipica WT ECAD. e, La frazione di arricchimento GFP all'interfaccia cellula-cellula da c. n = 20 (cavo), n = 20 (DLL1), n ​​= 20 (JAM-B), n = 20 (NCAM-1), n ​​= 20 (ICAM-1), n ​​= 20 (ECAD), n = 20 (ITGB1), n ​​= 20 (ITGB2), n = 15 (MUC4). f, Quantificazione degli angoli di contatto di cellule L929 a coppie che esprimono synCAM GFP/anti-GFP con le affinità indicate e in presenza (blu) o assenza (nero) di un ICD ICAM-1. n = 20 paia. Le barre di errore mostrano gli intervalli di confidenza al 95%. t = 3 ore. I livelli di espressione synCAM corrispondenti sono mostrati in Extended Data Fig. 1. Un'analisi alternativa (saggio di ordinamento delle cellule della competizione) della stessa serie di cellule synCAM ad affinità alterata è mostrata in Extended Data Fig. 3. Per i box plot in d ed e, i la linea centrale mostra la mediana, i limiti della casella mostrano il 25°-75° percentile e i baffi mostrano i valori dal minimo al massimo.

Dati di origine

Le interazioni native cellula-cellula sono mediate da un ampio insieme di molecole di adesione cellulare (CAM), complesse proteine ​​transmembrana che legano le cellule o la matrice vicine e inducono una risposta adesiva meccanica, che spesso comporta riarrangiamenti citoscheletrici7,8,9,10,11. Esempi di CAM includono le integrine, che assemblano le aderenze focali, e le caderine, che assemblano le giunzioni aderenti tra le cellule epiteliali11,12,13,14. La complessità strutturale e la diversità funzionale delle CAM rendono poco chiaro se le funzioni di legame extracellulare e di riorganizzazione citoscheletrica mediata dal dominio intracellulare possano essere disaccoppiate e ricombinate per generare nuove connettività cellula-cellula, sebbene studi precedenti indichino il potenziale di modularità15,16,17, 18,19.