メカノトランスダクション

細胞が張力、圧力、硬度といった機械的力をどのように感知し、力感受性分子を介して生化学的および電気的信号に変換するか。

Definition

メカノトランスダクションとは、機械的刺激が生化学的または電気的な細胞応答に変換される過程であり、通常、加えられた力によってコンフォメーションや活性が変化する分子を介して行われます。

Scope

このトピックでは、メカノセンシングの物理的原理を扱います。すなわち、力がメカノセンシティブチャネルやタンパク質のコンフォメーションや活性をどのように変化させるか、加えられた力のエネルギーが熱エネルギーや結合エネルギーと比較してどの程度であるか、そして細胞が周囲の硬度をどのように読み取るかについてです。ここでは、機械的刺激を生化学的信号に変換する伝達段階を扱いますが、力を負担し生成するフィラメントおよびモーターのメカニクスについては、関連するトピックで扱います。

Core questions

• 機械的な力は、分子のコンフォメーションや活性をどのように変化させることができるか？
• メカノセンシティブチャネルは、膜の張力を開口にどのように結合させるか？
• 細胞は、基質や周囲の硬度をどのように感知するか？
• 生物学的力のエネルギーは、熱エネルギーや結合エネルギーと比較してどの程度か？

Key theories

力によって偏ったコンフォメーション平衡

加えられた力は、2つのコンフォメーション間の変位に沿って仕事を行い、それらの平衡をシフトさせる。そのため、力感受性分子は、機械的仕事が状態間のエネルギー差に匹敵するようになると状態を変化させる。

メカノセンシティブチャネルの張力ゲーティング

メカノセンシティブチャネルは、膜の張力が、チャネルの二重層におけるフットプリントを拡大するコンフォメーション変化に対して十分な仕事を行うと開口し、膜のメカニクスとイオンフラックスを直接結合させる。

Mechanisms

力は、力とコンフォメーション変位の積に等しい仕事を行うことで分子のエネルギー論に影響を与えます。そのため、ナノメートルスケールの距離で作用するわずかなピコニュートン単位の力であっても、平衡を熱エネルギーに匹敵する量だけシフトさせます。メカノセンシティブチャネルは、膜の張力駆動による面積変化に開口を結合させることでこれを活用します。一方、力を受ける接着タンパク質は、負荷の下で隠れた部位を露出させたり、結合を変化させたりすることがあります。細胞はまた、接着とモーターを介して引っ張ることで基質の硬度を積極的に探り、周囲の抵抗の程度に応じて反応し、その機械的情報をシグナル伝達に変換します。

Clinical relevance

メカノトランスダクションは、聴覚、触覚、血圧感知、および機械的環境に対する組織の応答の根底にあり、その機能不全は疾患に関与しています。ここでの物理学は、臨床的ガイダンスというよりも、その生理学の教育的背景として提供されます。

History

メカノセンシティブイオンチャネルの同定と、細胞が基質の硬度に応答するという認識がメカノトランスダクションを分野として確立し、後に触覚と固有受容の根底にある力感知チャネルの分子同定によってさらに強化されました。

Key figures

• Donald Ingber
• Ardem Patapoutian
• Frederick Sachs

Seminal works

• phillips2012
• boal2012

Frequently asked questions

ごくわずかな力が分子の働きをどのように変えることができるのか？

力は、分子がコンフォメーション間で移動するわずかな距離にわたって仕事をします。ナノメートルスケールでは、ピコニュートン単位の力であっても、分子の状態を支配する熱エネルギーに匹敵するエネルギーを供給し、平衡をシフトさせるのに十分です。

細胞は周囲の硬さを感じることができるのか？

はい。細胞は接着とモーターを介して環境を積極的に引っ張り、その抵抗の程度に応じて反応するため、基質の硬さは細胞の挙動と運命に影響を与えます。