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Abstract

Cell motility has a critical role in a range of biological processes including development, immunity and disease. Navigation through complex and ever-changing environments often relies on the activity of actin-rich protrusions at the leading edge, also referred to as lamellipodia. Lamellipodia are known to exhibit areas of continuously rearranging membrane curvature, and their dynamics determines motion persistence. One group of proteins interesting in the context of membrane curvature are BAR domain proteins. However, whether and how these curvature-sensitive proteins contribute to leading edge dynamics and function, remains poorly understood. Here, we use neutrophils as a vertebrate model system of a highly migratory cell type. By combining RNAseq with a localization screen we identify two BAR proteins that are relevant for cell surface organization during migration: SH3BP1 and Snx33.

First, using fluorescent imaging and Atomic Force Microscopy, we show that SH3BP1 responds to changes in membrane mechanics and, vice-versa, modulates membrane tension. Using microfluidics, we further demonstrate that SH3BP1 is important for cell navigation through complex environments. Namely, its knockout displays increased cell speed and decision making during directed cell migration.

Next, we used the above techniques complemented with machine learning-based segmentation for time-resolved TIRF microscopy to understand the role of Snx33. We show that motion persistence and directionality, in both freely moving and environmentally constrained cells, depends on Snx33 activity. Specifically, Snx33 has an inhibitory effect on the lamellipodia dynamics by regulating WAVE2-driven actin polymerization. Our work exposes a novel mechanism by which cells steer protrusions upon encountering obstacles that facilitates efficient migration. In summary, we discovered novel functions of the curvature-sensitive proteins SH3BP1 and Snx33 in regulating cell surface mechanics and efficiency of directed cell migration.

Translation of abstract (German)

Die Motilität von Zellen spielt eine entscheidende Rolle in einer Reihe von biologischen Prozessen, wie die embryonale Entwicklung, im Immunsystem und bei Erkrankungen. Die Zellfortbewegung durch komplexe und sich stetig verändernde Umgebungen hängt häufig von der Aktivität aktin-reicher Ausstülpungen an der leading edge (Vorderseite der Zelle) ab, die als Lamellipodien bezeichnet werden. Lamellipodien weisen Bereiche auf in denen sich die Membrankrümmung kontinuierlich verändert und ihre Dynamik die Bewegungspersistenz bestimmt. BAR-Domänenproteine sind eine Gruppe von Proteinen, die im Zusammenhang mit der Membrankrümmung von Interesse sind. Ob und wie diese krümmungssensitiven Proteine zur Dynamik und Funktion der leading edge beitragen, ist jedoch aktuell wenig erforscht. In dieser Arbeit wurden Neutrophile als Wirbeltiermodellsystem eines sehr beweglichen Zelltyps verwendet. Durch die Kombination von RNAseq mit einem Lokalisierungsscreening wurden zwei BAR-Proteine identifiziert, die für die struktuelle Organisation der Zelloberfläche während der Zellmigration relevant sind: SH3BP1 und Snx33.

Zunächst wurde mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie gezeigt, dass SH3BP1 auf Veränderungen in der Membranmechanik reagiert und umgekehrt die Membranspannung moduliert. Außerdem konnte mithilfe von Mikrofluidik nachgewiesen werden, dass SH3BP1 für die Zellnavigation in komplexen Umgebungen wichtig ist, da durch den Knockout des Proteins eine erhöhte Zellgeschwindigkeit und beschleunigte Entscheidungsfindung während der gerichteten Zellmigration gemessen werden konnte.

Als nächstes wurden die obigen Techniken durch Maschine learning basierender Segmentierung zeitaufgelöster TIRF-Mikroskopiedaten ergänzt, um die Rolle von Snx33 zu verstehen. Es konnte gezeigt werden, dass die Bewegungspersistenz und -richtung sowohl in frei beweglichen als auch in bewegungseingeschränkten Zellen von der Snx33-Aktivität abhängt. Insbesondere hat Snx33 eine hemmende Wirkung auf die Lamellipodiendynamik, indem es die WAVE2-gesteuerte Aktinpolymerisation reguliert. Diese Arbeit enthüllt einen neuartigen Mechanismus, mit dem Zellen die Bildung von Ausstülpungen steuern, um auf Hindernisse zu reagieren und eine effiziente Migration zu ermöglichen. Zusammenfassend wurden neue Funktionen der krümmungssensitiven Proteine SH3BP1 und Snx33 in der Regulierung der Zelloberflächenmechanik und der Effizienz der gerichteten Zellmigration entdeckt.