The ability of cells to respond to physical forces is fundamental to development and physiology, including regulation of blood pressure, cell adhesion and migration. A major limitation to the study of these phenomena has been the difficulty of measuring molecular forces in cells in vivo. Grashoff et al. now report the development of a genetically encoded, fluorescent tension-sensing module capable of measuring mechanical forces across specific proteins in vivo. The sensor was tested on vinculin, a membrane-cytoskeletal protein that is recruited to focal adhesions and connects cell-adhesion molecules (integrins) to actin filaments. The data reveal a regulatory mechanism in which the ability of vinculin to bear force determines whether focal adhesions assemble or disassemble under force. This new biosensor should be applicable to other proteins involved in mechanotransduction. The ability of cells to respond to physical forces is central to development and physiology, but until now it has been difficult to directly measure forces across proteins in vivo. Here, however, a calibrated biosensor is described that can measure forces with high sensitivity across specific proteins in cells. This is applied to the vinculin protein, and a regulatory mechanism is revealed in which the force applied to vinculin determines whether focal adhesions assemble or disassemble. Mechanical forces are central to developmental, physiological and pathological processes1. However, limited understanding of force transmission within sub-cellular structures is a major obstacle to unravelling molecular mechanisms. Here we describe the development of a calibrated biosensor that measures forces across specific proteins in cells with piconewton (pN) sensitivity, as demonstrated by single molecule fluorescence force spectroscopy2. The method is applied to vinculin, a protein that connects integrins to actin filaments and whose recruitment to focal adhesions (FAs) is force-dependent3. We show that tension across vinculin in stable FAs is ∼2.5 pN and that vinculin recruitment to FAs and force transmission across vinculin are regulated separately. Highest tension across vinculin is associated with adhesion assembly and enlargement. Conversely, vinculin is under low force in disassembling or sliding FAs at the trailing edge of migrating cells. Furthermore, vinculin is required for stabilizing adhesions under force. Together, these data reveal that FA stabilization under force requires both vinculin recruitment and force transmission, and that, surprisingly, these processes can be controlled independently.

We report the first measurements of the intrinsic strain fluctuations of living cells using a recently-developed tracer correlation technique along with a theoretical framework for interpreting such data in heterogeneous media with non-thermal driving. The fluctuations' spatial and temporal correlations indicate that the cytoskeleton can be treated as a course-grained continuum with power-law rheology, driven by a spatially random stress tensor field. Combined with recent cell rheology results, our data imply that intracellular stress fluctuations have a nearly $1/\omega^2$ power spectrum, as expected for a continuum with a slowly evolving internal prestress.

Although understanding cells' responses to mechanical stimuli is seen as increasingly important for understanding cell biology, how to best measure, interpret, and model cells' mechanical properties remains unclear. We determine the frequency-dependent shear modulus of cultured mammalian cells by using four different methods, both unique and well established. This approach clarifies the effects of cytoskeletal heterogeneity, ATP-dependent processes, and cell regional variations on the interpretation of such measurements. Our results clearly indicate two qualitatively similar, but distinct, mechanical responses, corresponding to the cortical and intracellular networks, each having an unusual, weak power-law form at low frequency. The two frequency-dependent responses we observe are remarkably similar to those reported for a variety of cultured mammalian cells measured with different techniques, suggesting it is a useful consensus description. Finally, we discuss possible physical explanations for the observed mechanical response.

Collective cell migration (CCM) plays important roles in development, physiological, and pathological processes. A key feature of CCM is the dynamic mechanical coupling between cells, which enables both long-range coordination and local rearrangements. This coupling requires the ability of cell adhesions to adapt to forces. Recent efforts have identified key proteins and implicated cellular-scale mechanical properties, but how key proteins give rise to these larger-scale mechanical processes is unclear. Using force-sensitive biosensors, cell migration assays, and molecular clutch models, we sought a molecular understanding of adhesion strengthening that could bridge this gap. We found that the mechanical linker protein vinculin bears substantial loads at AJs, FAs, and in the cytoplasm during epithelial sheet migration, and we identified a switch-like residue on vinculin that regulates its conformation and loading at the AJs during CCM. In vinculin KO-rescue, this switch jointly controlled the speed and coupling length-scale of CCM, which suggested changes in adhesion-based friction. To test this, we developed molecularly detailed friction clutch models of the FA and AJ. They show that open, loaded vinculin increases friction in adhesive structures, with larger affects observed in AJs. Thus, this work elucidates how load-bearing linker proteins can be regulated to alter mechanical properties of cells and enable rapid tuning of mechanical coupling in CCM.

Ultrasound or shockwave-induced cavitation is used therapeutically to stimulate neural and muscle tissue, but the mechanisms underlying this mechanotransduction are unclear. Intracellular Ca 2+ signaling is one of the earliest events in mechanotransduction. In this study, we investigate the mechanism of Ca 2+ signaling in individual HEK293T cells stimulated by single cavitation bubbles. Ca 2+ responses are rare at cell-bubble distance that avoids membrane poration, even with overexpression of the mechanosensitive ion channel Piezo1, but could be increased in frequency to 42% of cells by attaching RGD beads to the apical surface of the cells. By using Piezo1 knockout and Piezo1-expressing cells, integrin-blocking antibodies, and inhibitors of P2X ion channels, key molecular players are identified in the RGD bead-enhanced Ca 2+ response: increased integrin ligation by substrate ECM triggers ATP release and activation of P2X—but not Piezo1—ion channels. These molecular players have not been examined previously in cavitation-induced Ca 2+ signaling. The resultant Ca 2+ influx causes dynamic changes in cell spread area. This approach to eliciting a Ca 2+ response with cavitation microbubbles without cell injury, and the uncovered mechanotransduction mechanism by which increased integrin-ligation mediates ATP release and Ca 2+ signaling will inform new strategies to stimulate tissues with ultrasound and shockwaves.

The ability of cells to sense and respond to mechanical forces is critical in many physiological and pathological processes. However, determining the mechanisms by which forces affect protein function inside cells remains challenging. Motivated by in vitro demonstrations of fluorescent proteins (FPs) undergoing reversible mechanical switching of fluorescence, we investigated whether force-sensitive changes in FP function could be visualized in cells. Guided by a computational model of FP mechanical switching, we develop a formalism for its detection in Förster resonance energy transfer (FRET)-based biosensors and demonstrate its occurrence in cellulo within a synthetic actin crosslinker and the mechanical linker protein vinculin. We find that in cellulo mechanical switching is reversible and altered by manipulation of cell force generation, external stiffness, and force-sensitive bond dynamics of the biosensor. This work describes a framework for assessing FP mechanical stability and provides a means of probing force-sensitive protein function inside cells.

N-cadherin mediates physical linkages in a variety of force-generating and load-bearing tissues. To enable visualization and quantification of mechanical loads experienced by N-Cadherin, we developed a genetically-encoded FRET-based tension sensor for this protein. We observe that N-Cadherin supports non-muscle myosin II (NMII) activity-dependent loads within the adherens junctions (AJs) of VSMCs and the synaptic junctions (SJs) of neurons. To probe the relationship between mechanical loads and AJ/SJ formation, we evaluated the relationships between N-cadherin tension and the size of these adhesion structures. In VSMCs, no relationship between N-cadherin tension and AJ size was observed, consistent with previously observed homeostatic regulation of mechanical loading. In neurons, a strong correlation between SJ size and N-cadherin load was observed, demonstrating an absence of homeostatic regulation. Treatment with glycine, a known initiator of synapse maturation, lead to increased SJ size and N-cadherin load, suggesting a role for mechanosensitive signaling in this process. Correspondingly, we observe that NMII activity is required for the Src-mediated phosphorylation of NMDAR subunit GluN2B at Tyr 1252, which is a key event in synaptic potentiation. Together these data demonstrate N-cadherin tension is subject to cell type specific regulation and that mechanosensitive signaling occurs within SJs.

Epigenetic control of cellular transcription and phenotype is influenced by changes in the cellular microenvironment, yet how mechanical cues from these microenvironments precisely influence epigenetic state to regulate transcription remains largely unmapped. Here, we combine genome-wide epigenome profiling, epigenome editing, and phenotypic and single-cell RNA-seq CRISPR screening to identify a new class of genomic enhancers that responds to the mechanical microenvironment. These 'mechanoenhancers' could be active on either soft or stiff extracellular matrix contexts, and regulated transcription to influence critical cell functions including apoptosis, mechanotransduction, proliferation, and migration. Epigenetic editing of mechanoenhancers on rigid materials tuned gene expression to levels observed on softer materials, thereby reprogramming the cellular response to the mechanical microenvironment. These editing approaches may enable the precise alteration of mechanically-driven disease states.

The ability of cells to sense and respond to mechanical forces is critical in many physiological and pathological processes. However, the mechanisms by which forces affect protein function inside cells remain unclear. Motivated by in vitro demonstrations of fluorescent proteins (FPs) undergoing reversible mechanical switching of fluorescence, we investigated if force-sensitive changes in FP function could be visualized in cells. Guided by a computational model of FP mechanical switching, we develop a formalism for its detection in Foerster resonance energy transfer (FRET)-based biosensors and demonstrate its occurrence in cellulo in a synthetic actin-crosslinker and the mechanical linker protein vinculin. We find that in cellulo mechanical switching is reversible and altered by manipulation of cellular force generation as well as force-sensitive bond dynamics of the biosensor. Together, this work describes a new framework for assessing FP mechanical stability and provides a means of probing force-sensitive protein function inside cells.

Molecular tension sensors have contributed to a growing understanding of mechanobiology. However, the limited dynamic range and inability to specify the mechanical sensitivity of these sensors has hindered their widespread use in diverse contexts. Here, we systematically examine the components of tension sensors that can be altered to improve their functionality. Guided by the development of a first principles model describing the mechanical behavior of these sensors, we create a collection of sensors that exhibit predictable sensitivities and significantly improved performance in cellulo. Utilized in the context of vinculin mechanobiology, a trio of these new biosensors with distinct force- and extension-sensitivities reveal that an extension-based control paradigm regulates vinculin loading. To enable the rational design of molecular tension sensors appropriate for diverse applications, we predict the mechanical behavior, in terms of force and extension, of additional 1020 distinct designs.