Focal adhesions (FAs) regulate cell migration. Vinculin, with its many potential binding partners, can interconnect signals in FAs. Despite the well-characterized structure of vinculin, the molecular mechanisms underlying its action have remained unclear. Here, using vinculin mutants, we separate the vinculin head and tail regions into distinct functional domains. We show that the vinculin head regulates integrin dynamics and clustering and the tail regulates the link to the mechanotransduction force machinery. The expression of vinculin constructs with unmasked binding sites in the head and tail regions induces dramatic FA growth, which is mediated by their direct interaction with talin. This interaction leads to clustering of activated integrin and an increase in integrin residency time in FAs. Surprisingly, paxillin recruitment, induced by active vinculin constructs, occurs independently of its potential binding site in the vinculin tail. The vinculin tail, however, is responsible for the functional link of FAs to the actin cytoskeleton. We propose a new model that explains how vinculin orchestrates FAs.

Using mAb technology (Wayner, E. A., W. G. Carter, R. Piotrowicz, and T. J. Kunicki. 1988. J. Cell Biol. 107:1881-1891), we have identified a new fibronectin receptor that is identical to the integrin receptor alpha 4 beta 1. mAbs P3E3, P4C2, and P4G9 recognized epitopes on the alpha 4 subunit and completely inhibited the adhesion of peripheral blood and cultured T lymphocytes to a 38-kD tryptic fragment of plasma fibronectin containing the carboxy-terminal Heparin II domain and part of the type III connecting segment (IIICS). The ligand in IIICS for alpha 4 beta 1 was the CS-1 region previously defined as an adhesion site for melanoma cells. The functionally defined mAbs to alpha 4 partially inhibited T lymphocyte adhesion to intact plasma fibronectin and had no effect on their attachment to an 80-kD tryptic fragment containing the RGD (arg-gly-asp) adhesion sequence. mAbs (P1D6 and P1F8) to the previously described fibronectin receptor, alpha 5 beta 1, completely inhibited T lymphocyte adhesion to the 80-kD fragment but had no effect on their attachment to the 38-kD fragment or to CS-1. Both alpha 4 beta 1 and alpha 5 beta 1 localized to focal adhesions when fibroblasts that express these receptors were grown on fibronectin-coated surfaces. These findings demonstrated a specific interaction of both receptors with fibronectin at focal contacts. In conclusion, these findings show clearly that cultured T lymphocytes use two independent receptors during attachment to fibronectin and that (a) alpha 5 beta 1 is the receptor for the RGD containing cell adhesion domain, and (b) alpha 4 beta 1 is the receptor for a carboxy-terminal cell adhesion region containing the Heparin II and IIICS domains. Furthermore, these data also show that T lymphocytes express a clear preference for a region of molecular heterogeneity in IIICS (CS-1) generated by alternative splicing of fibronectin pre-mRNA and that alpha 4 beta 1 is the receptor for this adhesion site.

Binding of integrins to ligands provides anchorage and signals for the cell, making them prime candidates for mechanosensing molecules. How force regulates integrin–ligand dissociation is unclear. We used atomic force microscopy to measure the force-dependent lifetimes of single bonds between a fibronectin fragment and an integrin α5β1-Fc fusion protein or membrane α5β1. Force prolonged bond lifetimes in the 10–30-pN range, a counterintuitive behavior called catch bonds. Changing cations from Ca2+/Mg2+ to Mg2+/EGTA and to Mn2+ caused longer lifetime in the same 10–30-pN catch bond region. A truncated α5β1 construct containing the headpiece but not the legs formed longer-lived catch bonds that were not affected by cation changes at forces <30 pN. Binding of monoclonal antibodies that induce the active conformation of the integrin headpiece shifted catch bonds to a lower force range. Thus, catch bond formation appears to involve force-assisted activation of the headpiece but not integrin extension.

Adhesive interactions between cells and the extracellular matrix occur at several stages of metastasis. Such interactions might be inhibited by synthetic peptide probes derived from the cell-binding regions of matrix molecules. Gly-Arg-Gly-Asp-Ser (GRGDS) is a pentapeptide sequence that appears to be critical for cell interaction with fibronectin. Coinjection of GRGDS with B16-F10 murine melanoma cells dramatically inhibited the formation of lung colonies in C57BL/6 mice. Two closely related control peptides, in which specific amino acids within the GRGDS sequence were transposed or substituted, displayed little or no activity. Inhibition by GRGDS was dose-dependent, noncytotoxic, and did not result from an impairment of cellular tumorigenicity. GRGDS may function by inhibiting tumor cell retention in the lung since radiolabeled B16-F10 tumor cells injected with the peptide were lost at a substantially greater rate than control cells.

Integrin receptor activation initiates the formation of integrin adhesion complexes (IACs) at the cell membrane that transduce adhesion-dependent signals to control a multitude of cellular functions. Proteomic analyses of isolated IACs have revealed an unanticipated molecular complexity; however, a global view of the consensus composition and dynamics of IACs is lacking. Here, we have integrated several IAC proteomes and generated a 2,412-protein integrin adhesome. Analysis of this data set reveals the functional diversity of proteins in IACs and establishes a consensus adhesome of 60 proteins. The consensus adhesome is likely to represent a core cell adhesion machinery, centred around four axes comprising ILK–PINCH–kindlin, FAK–paxillin, talin–vinculin and α-actinin–zyxin–VASP, and includes underappreciated IAC components such as Rsu-1 and caldesmon. Proteomic quantification of IAC assembly and disassembly detailed the compositional dynamics of the core cell adhesion machinery. The definition of this consensus view of integrin adhesome components provides a resource for the research community. Humphries and colleagues analyse proteomic data of integrin adhesion complexes to derive a consensus integrin adhesome and characterize the temporal dynamics of adhesome component recruitment during adhesion complex assembly and disassembly.

We have compared the molecular specificities of the adhesive interactions of melanoma and fibroblastic cells with fibronectin. Several striking differences were found in the sensitivity of the two cell types to inhibition by a series of synthetic peptides modeled on the Arg-Gly-Asp-Ser (RGDS) tetrapeptide adhesion signal. Further evidence for differences between the melanoma and fibroblastic cell adhesion systems was obtained by examining adhesion to proteolytic fragments of fibronectin. Fibroblastic BHK cells spread readily on fl3, a 75-kD fragment representing the RGDS-containing, "cell-binding" domain of fibronectin, but B16-F10 melanoma cells could not. The melanoma cells were able to spread instead on f9, a 113-kD fragment derived from the large subunit of fibronectin that contains at least part of the type III connecting segment difference region (or "V" region); f7, a fragment from the small fibronectin subunit that lacks this alternatively spliced polypeptide was inactive. Monoclonal antibody and fl3 inhibition experiments confirmed the inability of the melanoma cells to use the RGDS sequence; neither molecule affected melanoma cell spreading, but both completely abrogated fibroblast adhesion. By systematic analysis of a series of six overlapping synthetic peptides spanning the entire type III connecting segment, a novel attachment site was identified in a peptide near the COOH-terminus of this region. The tetrapeptide sequence Arg-Glu-Asp-Val (REDV), which is somewhat related to RGDS, was present in this peptide in a highly hydrophilic region of the type III connecting segment. REDV appeared to be functionally important, since this synthetic tetrapeptide was inhibitory for melanoma cell adhesion to fibronectin but was inactive for fibroblastic cell adhesion. REDV therefore represents a novel adhesive recognition signal in fibronectin that possesses cell type specificity. These results suggest that, for some cell types, regulation of the adhesion-promoting activity of fibronectin may occur by alternative mRNA splicing.

Regulator of chromosome condensation–2 is a component of fibronectin-activated signaling pathways that regulate cell migration.

Rabbit synovial fibroblasts (RSF) express basal levels of the metalloproteinases (MMP) collagenase, stromelysin-1 and 92-kD gelatinase when plated on intact fibronectin (FN), but elevated levels when plated on either the central RGD-containing cell-binding region of FN (120FN) or antibody against the alpha 5 beta 1 integrin, suggesting that domains outside 120FN may suppress the induction of MMP (Werb, Z., P. M. Tremble, O. Behrendtsen, E. Crowley, and C.H. Damsky. 1989. J. Cell Biol. 109:877-889). We therefore attempted to reconstitute the basal signaling of intact FN by plating RSF on 120FN together with domains of FN outside this region. Large COOH-terminal fragments containing both the heparin-binding and HICS domains suppressed MMP when combined with 120FN. To map the active sequences, peptides from this region and larger fragments that did, or did not, include the CS-1 portion of IIICS were tested. Only CS-1 peptide, or larger fragments containing CS-1, suppressed MMP expression induced by 120FN. In contrast, peptide V from the heparin-binding region, shown previously to stimulate focal contact formation, further enhanced MMP expression by RSF when present on the substrate with 120FN. RSF expressed alpha 4 beta 1 integrin, the receptor for CS-1, and the anti-alpha 4 mAb blocked the ability of CS-1 to suppress MMP induction by 120FN. These results show that signals modulating MMP expression and focal contact assembly are regulated independently, and that cooperative signaling by alpha 5 beta 1 and alpha 4 beta 1 integrins plays a dominant role in regulating expression of these extracellular matrix-remodeling genes in response to FN. This work demonstrates directly the modular way in which information in the extracellular matrix is detected and processed by cell surface receptors.

Here, we report a direct interaction between the β1 integrin cytoplasmic tail and Rab25, a GTPase that has been linked to tumor aggressiveness and metastasis. Rab25 promotes a mode of migration on 3D matrices that is characterized by the extension of long pseudopodia, and the association of the GTPase with α5β1 promotes localization of vesicles that deliver integrin to the plasma membrane at pseudopodial tips as well as the retention of a pool of cycling α5β1 at the cell front. Furthermore, Rab25-driven tumor-cell invasion into a 3D extracellular matrix environment is strongly dependent on ligation of fibronectin by α5β1 integrin and the capacity of Rab25 to interact with β1 integrin. These data indicate that Rab25 contributes to tumor progression by directing the localization of integrin-recycling vesicles and thereby enhancing the ability of tumor cells to invade the extracellular matrix.

Fibronectin contains at least two major domains that support cell adhesion. One is the central cell-binding domain that is recognized by a variety of cell types via the integrin alpha 5 beta 1. The second, originally identified by its ability to support melanoma cell adhesion, is located in the alternatively spliced type III connecting segment (IIICS). A dominant cell type-specific adhesion site within the IIICS has been localized to a peptide designated as CS1 comprising its amino-terminal 25 residues. The receptor for CS1 is the integrin alpha 4 beta 1. We have synthesized a variety of peptides with overlapping sequences in order to identify the minimum active amino acid sequence of this major cell adhesion site. A peptide comprising the carboxyl-terminal 8 amino acids of CS1, EILDVPST, was found to support melanoma cell spreading, while all peptides without this sequence had little or no activity. Two smaller overlapping pentapeptides, EILDV and LDVPS, were also active, whereas EILEV, containing a conservative substitution of Glu for Asp, was inactive. These data suggested that the minimum sequence for cell adhesion activity is Leu-Asp-Val, the tripeptide sequence common to both active peptides. This prediction was confirmed by the observed ability of the Leu-Asp-Val peptide itself to block spreading on fibronectin, whereas Leu-Glu-Val was inactive. Interspecies amino acid sequence comparison also supports the importance of the LDV sequence, since it is completely conserved in the IIICS regions of human, rat, bovine, and avian fibronectins.