Study of the effects of mechanical force on nucleo-cytoplasmic transport

Abstract

[eng] Mechanical force controls fundamental cellular processes in both healthy and diseased cells, and more and more evidence shows that the nucleus experiences and feels the forces applied to it. These forces can lead to nuclear translocation of proteins, but we still don't know if and how the force controls nucleocytoplasmic transport. Chapter 1 of this thesis shows that nuclear forces control passive nucleocytoplasmic transport differently and facilitately, setting the rules for the mechanosensitivity of transport proteins. Using dozens of artificial constructs produced ad hoc, we demonstrate that the nuclear force increases permeability across nuclear pore complexes, with a molecular weight dependence that is stronger for passive diffusion than for facilitated diffusion. Due to this differential effect, the forces produce the translocation of charges inside or outside the nucleus within a certain range of molecular weight and affinity for nuclear transport receptors. In addition, we show that the mechanosensitivity of various transcriptional regulators can be explained by this mechanism and designed exogenously by introducing appropriate nuclear localization signals. Our work reveals a mechanically induced signaling mechanism, which probably works in parallel with other mechanisms, and with a potential applicability across signaling pathways. Chapter 2 of this thesis delves into how forces affect nucleocytoplasmic transport, through the use of advanced confocal microscopy to obtain 3D images that allow the segmentation of cell nuclei. Using one of the artificial constructs analyzed in Chapter 1 and nuclear segmentation, we can correlate the different core shape parameters with the regulation of active transport and YAP as a mechanosensitive transcription regulator paradigm. These data open the door to being able to search more specifically for the molecular mechanisms at the nuclear membrane level that increase transport through the nuclear pore complex.

[cat] La força mecànica controla processos cel·lulars fonamentals tant en cèl·lules sanes com en malaltes, i cada vegada més evidències mostren que el nucli experimenta i sent les forces que se li apliquen. Aquestes forces poden conduir a la translocació nuclear de proteïnes, però encara desconeixem si la força controla el transport nucle-citoplasmàtic i com ho fa. El Capítol 1 d' aquesta tesi mostra que les forces nuclears controlen de forma diferent el transport nucleo-citoplasmàtic passiu i la facilitat, establint les regles per a la mecanosensibilitat de les proteïnes de transport. Utilitzant desenes de constructes artificials produïts ad hoc, demostrem que la força nuclear augmenta la permeabilitat a través dels complexos de por nuclear, amb una dependència del pes molecular que és més forta per a la difusió passiva que per a la difusió facilitada. A causa d' aquest efecte diferencial, les forces produeixen la translocació de càrregues dins o fora del nucli dins d' un determinat rang de pes molecular i d' afinitat pels receptors de transport nuclear. A més, mostrem que la mecanosensibilitat de diversos reguladors transcripcionals pot explicar-se amb aquest mecanisme i dissenyar-se de manera exògena mitjançant la introducció de senyals de localització nuclear adequades. El nostre treball revela un mecanisme de senyalització induït mecànicament, que probablement funciona en paral·lel amb altres mecanismes, i amb una potencial aplicabilitat a través de les vies de senyalització. El Capítol 2 d'aquesta tesi aprofundeix en com les forces afecten el transport nucleocitoplasmàtic, mitjançant l'ús de microscòpia confocal avançada per obtenir imatges en 3D que permeten la segmentació dels nuclis cel·lulars. Utilitzant un dels constructes artificials analitzats en el Capítol 1 i la segmentació nuclear, podem correlacionar els diferents paràmetres de forma del nucli amb la regulació del transport actiu i de YAP com a paradigma de regulador de transcripció mecanosensible. Aquestes dades ens obren la porta a poder buscar més específicament quins són els mecanismes moleculars a nivell de la membrana nuclear que augmenten el transport a través del complex del por nuclear.

[spa] La fuerza mecánica controla procesos celulares fundamentales tanto en células sanas como en enfermas, y cada vez más evidencias muestran que el núcleo experimenta y siente las fuerzas que se le aplican. Estas fuerzas pueden conducir a la translocación nuclear de proteínas, pero todavía desconocemos si la fuerza controla el transporte nucleo-citoplasmático y cómo lo hace. El Capítulo 1 de esta tesis muestra que las fuerzas nucleares controlan de forma diferente el transporte nucleo-citoplasmático pasivo y la facilidad, estableciendo las reglas para la mecanosensibilidad de las proteínas de transporte. Utilizando decenas de constructos artificiales producidos ad hoc, demostramos que la fuerza nuclear aumenta la permeabilidad a través de los complejos de poro nuclear, con una dependencia del peso molecular que es más fuerte para la difusión pasiva que para la difusión facilitada. Debido a este efecto diferencial, las fuerzas producen la translocación de cargas dentro o fuera del núcleo dentro de un determinado rango de peso molecular y de afinidad por los receptores de transporte nuclear. Además, mostramos que la mecanosensibilidad de varios reguladores transcripcionales puede explicarse con este mecanismo y diseñarse de manera exógena mediante la introducción de señales de localización nuclear adecuadas. Nuestro trabajo revela un mecanismo de señalización inducido mecánicamente, que probablemente funciona en paralelo con otros mecanismos, y con una potencial aplicabilidad a través de las vías de señalización. El Capítulo 2 de esta tesis profundiza en cómo las fuerzas afectan al transporte nucleocitoplasmático, mediante el uso de microscopía confocal avanzada para obtener imágenes en 3D que permiten la segmentación de los núcleos celulares. Utilizando uno de los constructos artificiales analizados en el Capítulo 1 y la segmentación nuclear, podemos correlacionar los distintos parámetros de forma del núcleo con la regulación del transporte activo y de YAP como paradigma de regulador de transcripción mecanosensible. Estos datos nos abren la puerta a poder buscar más específicamente cuáles son los mecanismos moleculares a nivel de la membrana nuclear que aumentan el transporte a través del complejo del poro nuclear.