Summary

Background

 A number of adhesion-mediated signaling pathways and cell-cycle events have been identified that regulate cell proliferation, yet studies to date have been unable to determine which of these pathways control mitogenesis in response to physiologically relevant changes in tissue elasticity. In this report, we use hydrogel-based substrata matched to biological tissue stiffness to investigate the effects of matrix elasticity on the cell cycle. 

Results

 We find that physiological tissue stiffness acts as a cell-cycle inhibitor in mammary epithelial cells and vascular smooth muscle cells; subcellular analysis in these cells, mouse embryonic fibroblasts, and osteoblasts shows that cell-cycle control by matrix stiffness is widely conserved. Remarkably, most mitogenic events previously documented as extracellular matrix (ECM)/integrin-dependent proceed normally when matrix stiffness is altered in the range that controls mitogenesis. These include ERK activity, immediate-early gene expression, and cdk inhibitor expression. In contrast, FAK-dependent Rac activation, Rac-dependent cyclin D1 gene induction, and cyclin D1-dependent Rb phosphorylation are strongly inhibited at physiological tissue stiffness and rescued when the matrix is stiffened in vitro. Importantly, the combined use of atomic force microscopy and fluorescence imaging in mice shows that comparable increases in tissue stiffness occur at sites of cell proliferation in vivo. 

Conclusions

 Matrix remodeling associated with pathogenesis is in itself a positive regulator of the cell cycle through a highly selective effect on integrin-dependent signaling to FAK, Rac, and cyclin D1.

Abstract Infection of human cells by pathogens, including SARS-CoV-2, typically proceeds by cell surface binding to a crucial receptor. In the case of SARS-CoV-2, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) has been identified as a necessary receptor, but not all ACE2-expressing cells are equally infected, suggesting that other extracellular factors are involved in host cell invasion by SARS-CoV-2. Vimentin is an intermediate filament protein that is increasingly recognized as being present on the extracellular surface of a subset of cell types, where it can bind to and facilitate pathogens’ cellular uptake. Here, we present evidence that extracellular vimentin might act as a critical component of the SARS-CoV-2 spike protein-ACE2 complex in mediating SARS-CoV-2 cell entry. We demonstrate direct binding between vimentin and SARS-CoV-2 pseudovirus coated with the SARS-CoV-2 spike protein and show that antibodies against vimentin block in vitro SARS-CoV-2 pseudovirus infection of ACE2-expressing cells. Our results suggest new therapeutic strategies for preventing and slowing SARS-CoV-2 infection, focusing on targeting cell host surface vimentin.

ABSTRACT Vimentin intermediate filaments form part of the cytoskeleton of mesenchymal cells, but under pathological conditions often associated with inflammation, vimentin filaments depolymerize as the result of phosphorylation or citrullination, and vimentin oligomers are secreted or released into the extracellular environment. In the extracellular space, vimentin can bind surfaces of other cells and the extracellular matrix, and the interaction between extracellular vimentin and other cell types can trigger changes in cellular functions, such as activation of fibroblasts to a fibrotic phenotype. The mechanism by which extracellular vimentin binds external cell membranes and whether vimentin alone can act as an adhesive anchor for cells is largely uncharacterized. Here, we show that various cell types (normal and vimentin null fibroblasts, mesenchymal stem cells, A549 lung carcinoma cells) attach to and spread on polyacrylamide hydrogel substrates covalently linked to vimentin. Using traction force microscopy and spheroid expansion assays, we characterize how different cell types respond to extracellular vimentin. Cell attachment to and spreading on vimentin-coated surfaces is inhibited by hyaluronic acid (HA) degrading enzymes, HA synthase inhibitors, soluble heparin, or N-acetyl glucosamine, treatments that have little or no effect on the same cell types binding to collagen-coated hydrogels. These studies highlight the effectiveness of substrate-bound vimentin as a ligand for cells and suggest that carbohydrate structures, including the glycocalyx and glycosylated cell surface proteins that contain N-acetyl glucosamine, form a novel class of adhesion receptors for extracellular vimentin.

The migration of cells through tight constricting spaces or along fibrous tracks in tissues is important for biological processes, such as embryogenesis, wound healing, and cancer metastasis, and depends on the mechanical properties of the cytoskeleton. Migratory cells often express and upregulate the intermediate filament protein vimentin. The viscoelasticity of vimentin networks in shear deformation has been documented, but its role in motility is largely unexplored. Here, we studied the effects of vimentin on cell motility and stiffness using mouse embryo fibroblasts derived from wild-type and vimentin-null mice. We find that loss of vimentin increases motility through small pores and along thin capillaries. Atomic force microscopy measurements reveal that the presence of vimentin enhances the perinuclear stiffness of the cell, to an extent that depends on surface ligand presentation and therefore signaling from extracellular matrix receptors. Together, our results indicate that vimentin hinders three- dimensional motility by providing mechanical resistance against large strains and may thereby protect the structural integrity of cells.

The structure and dynamics of the cell nucleus regulate nearly every facet of the cell. Changes in nuclear shape limit cell motility and gene expression. Although the nucleus is generally seen as the stiffest organelle in the cell, cells can nevertheless deform the nucleus to large strains by small mechanical stresses. Here, we show that the mechanical response of the cell nucleus exhibits active fluidization that is driven by the BRG 1 motor of the SWI/SNF/BAF chromatin-remodeling complex. Atomic force microscopy measurements show that the nucleus alters stiffness in response to the cell substrate stiffness, which is retained after the nucleus is isolated and that the work of nuclear compression is mostly dissipated rather than elastically stored. Inhibiting BRG 1 stiffens the nucleus and eliminates dissipation and nuclear remodeling both in isolated nuclei and in intact cells. These findings demonstrate a novel link between nuclear motor activity and global nuclear mechanics.