The transition of cell-matrix adhesions from the initial punctate focal complexes into the mature elongated form, known as focal contacts, requires GTPase Rho activity. In particular, activation of myosin II-driven contractility by a Rho target known as Rho-associated kinase (ROCK) was shown to be essential for focal contact formation. To dissect the mechanism of Rho-dependent induction of focal contacts and to elucidate the role of cell contractility, we applied mechanical force to vinculin-containing dot-like adhesions at the cell edge using a micropipette. Local centripetal pulling led to local assembly and elongation of these structures and to their development into streak-like focal contacts, as revealed by the dynamics of green fluorescent protein-tagged vinculin or paxillin and interference reflection microscopy. Inhibition of Rho activity by C3 transferase suppressed this force-induced focal contact formation. However, constitutively active mutants of another Rho target, the formin homology protein mDia1 (Watanabe, N., T. Kato, A. Fujita, T. Ishizaki, and S. Narumiya. 1999. Nat. Cell Biol. 1:136-143), were sufficient to restore force-induced focal contact formation in C3 transferase-treated cells. Force-induced formation of the focal contacts still occurred in cells subjected to myosin II and ROCK inhibition. Thus, as long as mDia1 is active, external tension force bypasses the requirement for ROCK-mediated myosin II contractility in the induction of focal contacts. Our experiments show that integrin-containing focal complexes behave as individual mechanosensors exhibiting directional assembly in response to local force.

Cell adhesion and migration crucially depend on the transmission of actomyosin-generated forces through sites of focal adhesion to the extracellular matrix. Here we report experimental and computational advances in improving the resolution and reliability of traction force microscopy. First, we introduce the use of two differently colored nanobeads as fiducial markers in polyacrylamide gels and explain how the displacement field can be computationally extracted from the fluorescence data. Second, we present different improvements regarding standard methods for force reconstruction from the displacement field, which are the boundary element method, Fourier-transform traction cytometry, and traction reconstruction with point forces. Using extensive data simulation, we show that the spatial resolution of the boundary element method can be improved considerably by splitting the elastic field into near, intermediate, and far field. Fourier-transform traction cytometry requires considerably less computer time, but can achieve a comparable resolution only when combined with Wiener filtering or appropriate regularization schemes. Both methods tend to underestimate forces, especially at small adhesion sites. Traction reconstruction with point forces does not suffer from this limitation, but is only applicable with stationary and well-developed adhesion sites. Third, we combine these advances and for the first time reconstruct fibroblast traction with a spatial resolution of ∼1 μm.

Cells in tissues are mechanically coupled both to the ECM and neighboring cells, but the coordination and interdependency of forces sustained at cell-ECM and cell–cell adhesions are unknown. In this paper, we demonstrate that the endogenous force sustained at the cell–cell contact between a pair of epithelial cells is approximately 100 nN, directed perpendicular to the cell–cell interface and concentrated at the contact edges. This force is stably maintained over time despite significant fluctuations in cell–cell contact length and cell morphology. A direct relationship between the total cellular traction force on the ECM and the endogenous cell–cell force exists, indicating that the cell–cell tension is a constant fraction of the cell-ECM traction. Thus, modulation of ECM properties that impact cell-ECM traction alters cell–cell tension. Finally, we show in a minimal model of a tissue that all cells experience similar forces from the surrounding microenvironment, despite differences in the extent of cell-ECM and cell–cell adhesion. This interdependence of cell–cell and cell-ECM forces has significant implications for the maintenance of the mechanical integrity of tissues, mechanotransduction, and tumor mechanobiology.

How focal adhesions (FAs) convert retrograde filamentous actin (F-actin) flow into traction stress on the extracellular matrix to drive cell migration is unknown. Using combined traction force and fluorescent speckle microscopy, we observed a robust biphasic relationship between F-actin speed and traction force. F-actin speed is inversely related to traction stress near the cell edge where FAs are formed and F-actin motion is rapid. In contrast, larger FAs where the F-actin speed is low are marked by a direct relationship between F-actin speed and traction stress. We found that the biphasic switch is determined by a threshold F-actin speed of 8–10 nm/s, independent of changes in FA protein density, age, stress magnitude, assembly/disassembly status, or subcellular position induced by pleiotropic perturbations to Rho family guanosine triphosphatase signaling and myosin II activity. Thus, F-actin speed is a fundamental regulator of traction force at FAs during cell migration.

One of the most unique physical features of cell adhesion to external surfaces is the active generation of mechanical force at the cell-material interface. This includes pulling forces generated by contractile polymer bundles and networks, and pushing forces generated by the polymerization of polymer networks. These forces are transmitted to the substrate mainly by focal adhesions, which are large, yet highly dynamic adhesion clusters. Tissue cells use these forces to sense the physical properties of their environment and to communicate with each other. The effect of forces is intricately linked to the material properties of cells and their physical environment. Here a review is given of recent progress in our understanding of the role of forces in cell adhesion from the viewpoint of theoretical soft matter physics and in close relation to the relevant experiments.

The mechanics of the actin cytoskeleton have a central role in the regulation of cells and tissues, but the details of how molecular sensors recognize deformations and forces are elusive. By performing cytoskeleton laser nanosurgery in cultured epithelial cells and fibroblasts, we show that the retraction of stress fibers (SFs) is restricted to the proximity of the cut and that new adhesions form at the retracting end. This suggests that SFs are attached to the substrate. A new computational model for SFs confirms this hypothesis and predicts the distribution and propagation of contractile forces along the SF. We then analyzed the dynamics of zyxin, a focal adhesion protein present in SFs. Fluorescent redistribution after laser nanosurgery and drug treatment shows a high correlation between the experimentally measured localization of zyxin and the computed localization of forces along SFs. Correlative electron microscopy reveals that zyxin is recruited very fast to intermediate substrate anchor points that are highly tensed upon SF release. A similar acute localization response is found if SFs are mechanically perturbed with the cantilever of an atomic force microscope. If actin bundles are cut by nanosurgery in living Drosophila egg chambers, we also find that zyxin redistribution dynamics correlate to force propagation and that zyxin relocates at tensed SF anchor points, demonstrating that these processes also occur in living organisms. In summary, our quantitative analysis shows that force and protein localization are closely correlated in stress fibers, suggesting a very direct force-sensing mechanism along actin bundles.

Abstract Eukaryotic cells use clathrin-mediated endocytosis to take up a large range of extracellular cargos. During endocytosis, a clathrin coat forms on the plasma membrane, but it remains controversial when and how it is remodeled into a spherical vesicle. Here, we use 3D superresolution microscopy to determine the precise geometry of the clathrin coat at large numbers of endocytic sites. Through pseudo-temporal sorting, we determine the average trajectory of clathrin remodeling during endocytosis. We find that clathrin coats assemble first on flat membranes to 50% of the coat area, before they become rapidly and continuously bent, and confirm this mechanism in three cell lines. We introduce the cooperative curvature model , which is based on positive feedback for curvature generation. It accurately describes the measured shapes and dynamics of the clathrin coat and could represent a general mechanism for clathrin coat remodeling on the plasma membrane.

Discovering the physical principles directing organelle assembly is a fundamental pursuit in biology. Centrioles are evolutionarily conserved organelles with a 9-fold rotational symmetry of chiral microtubules imparted onto the cilia they template 1 . Centriole assemble from likewise symmetrical ring polymers of SAS-6 proteins, orthogonal to a toroidal surface surrounding the resident centriole 2–4 . How surface properties ensure ring assembly with proper symmetry and orthogonal arrangement is not known. Here, we deployed photothermally-actuated off-resonance tapping high-speed atomic force microscopy (PORT-HS-AFM) to decipher physical principles of surface-guided SAS-6 self-assembly. Using machine learning to quantify the polymerization reaction and developing a coagulation-fragmentation model, we discovered that the surface shifts the reaction equilibrium by ∼10 4 compared to the solution situation, explaining orthogonal organelle emergence. Moreover, molecular dynamics and PORT-HS-AFM revealed that the surface converts helical SAS-6 polymers into 9-fold ring polymers with residual asymmetry, which may impart chiral features to centrioles and cilia. Overall, we discovered two fundamental physical principles directing robust centriole organelle assembly.

ABSTRACT Interferon-induced transmembrane protein 3 (IFITM3) inhibits the entry of numerous viruses through undefined molecular mechanisms. IFITM3 localizes in the endosomal-lysosomal system and specifically impacts virus fusion with target cell membranes. We found that IFITM3 induces local lipid sorting, resulting in an increased concentration of lipids disfavoring viral fusion at the hemifusion site. This increases the energy barrier for fusion pore formation and the hemifusion dwell time, promoting viral degradation in lysosomes. In situ cryo-electron tomography captured IFITM3-mediated arrest of influenza A virus membrane fusion. Observation of hemifusion diaphragms between viral particles and late endosomal membranes confirmed hemifusion stabilization as a molecular mechanism of IFITM3. The presence of the influenza fusion protein hemagglutinin in post-fusion conformation close to hemifusion sites further indicated that IFITM3 does not interfere with the viral fusion machinery. Collectively, these findings show that IFITM3 induces lipid sorting to stabilize hemifusion and prevent virus entry into target cells.