A liquid-to-solid transition governs neuronal mechanotransduction during touch in Caenorhabditis elegans

Abstract

(English) In recent years, our understanding of the ion channels and receptors that orchestrate the conversion of physical stimuli into physiological signals has deepened significantly. Nevertheless, there remains some ambiguity regarding the precise mechanism by which mechanical stresses reach the molecular mechanosensors. While it is well-established that many mechanosensitive ion channels respond to increased plasma membrane tension, emerging evidence underscores the crucial role played by the cytoskeleton within sensory cells. In this thesis, we asked how animals perceive mechanical stress, with specific focus on touch sensation. Our primary objective was to unravel the molecular and the mechanical pathways responsible for transmitting force within the touch receptor neurons of the nematode Caenorhabditis elegans. For over a decade, it has been postulated that the pore-forming subunit of the mechanoelectrical transduction channel forms a connection with the cytoskeleton through a highly conserved and widespread protein known as MEC-2, which bears structural similarities to Stomatin. Our study presents compelling evidence that MEC-2 assembles in liquid condensates that experience a shift in rigidity, transitioning from a fluid-like pool that allows transport along neurons to solid-like states that are mechanoelectrically active. We provide a new physiologically relevant context in which biomolecular condensates tune their function upon maturation and facilitate neuronal mechanotransduction in response to tactile stimuli. In order to contextualize the function of MEC-2 in force transmission, we developed a genetically encoded tension sensor module, which revealed that only stiffened condensates, as opposed to fluid-like ones, are capable of transmitting force within living organisms. Notably, this stiffening process does not occur autonomously. Within this study, we showed that this transition is instigated by a specific SH3 motif of UNC-89, a protein homologous to Titin and Obscurin, through a direct interaction with a proline-rich domain located in the C-terminal region of MEC-2. We propose that this change in rigidity serves a vital physiological function by contributing to the transmission of forces that vary in frequency during touch to the animal's body wall. Together, our data introduces a novel perspective on the significance of the MEC-2 liquid-to-solid phase transition in the realm of mechanotransduction. It also presents a new conceptual framework for understanding how animals, in a broader sense, perceive and respond to mechanical stresses

(Català) En els darrers anys, el nostre coneixement sobre els canals iònics i els receptors que orquestren la transformació dels estímuls físics en senyals fisiològics ha experimentat un creixement notable. Es desconeix però, el mecanisme exacte pel qual l'estrès mecànic arriba als mecanosensors moleculars. Tot i que és generalment reconegut que molts canals iònics mecanosensibles responen a l'augment de tensió de la membrana plasmàtica, evidències recents destaquen el paper crític que juga el citoesquelet dins de les cèl·lules sensorials. En el marc d'aquesta tesi, vàrem abordar com els animals perceben l'estrès mecànic, en particular durant el sentit del tacte, centrant-nos en les neurones receptores del tacte del nematode Caenorhabditis elegans. Durant una dècada, s'ha postulat que les subunitats que constitueixen el porus dels canals iònics mecanoelèctrics formen una connexió amb el citoesquelet a través d'una proteïna altament conservada, coneguda com a MEC-2, la qual mostra similituds estructurals amb l'estomatina. El nostre estudi evidencia que MEC-2 s'agrega en condensats líquids que experimenten un canvi de rigidesa en el temps. Aquests condensats transicionen des d'una fase líquida, que permet el transport intracel\textperiodcentered lular al llarg de les neurones, fins a un estat sòlid que exhibeix activitat mecanoelèctrica. D'aquesta manera, aportem un nou context fisiològic rellevant en què els condensats biomoleculars modulen la seva funció durant el procés de maduració i faciliten la mecanotransducció neuronal en resposta als estímuls tàctils. Amb l'objectiu d'entendre el paper de MEC-2 en la transmissió de forces, vam desenvolupar un sensor de tensió codificat genèticament, el qual va revelar que únicament els condensats rígids, però no els líquids, són capaços de transmetre forces en un organisme. En aquest estudi, demostrem que aquesta transició no té lloc autònomament, però que és promoguda gràcies a la interacció directa d'un domini ric en prolines situat a la regió C-terminal de MEC-2 amb un domini SH3 específic d'UNC-89, una proteïna homòloga a Titin i Obscurin. Proposem que aquest canvi en rigidesa contribueix a una funció fisiològica vital, en particular, a la transmissió de forces de freqüència variable durant el tacte. En conjunt, els nostres resultats aporten una nova perspectiva sobre el paper de la transició de l'estat líquid a l'estat sòlid de MEC-2 en el reialme de la mecanotransducció. Així mateix, també presentem un nou marc conceptual per comprendre com els animals, en un sentit més ampli, perceben i responen als estressos mecànics.