Cancer-associated fibroblasts (CAFs) are major components of the carcinoma microenvironment that promote tumor progression. However, the mechanisms by which CAFs regulate cancer cell migration are poorly understood. In this study, we show that fibronectin (Fn) assembled by CAFs mediates CAF–cancer cell association and directional migration. Compared with normal fibroblasts, CAFs produce an Fn-rich extracellular matrix with anisotropic fiber orientation, which guides the cancer cells to migrate directionally. CAFs align the Fn matrix by increasing nonmuscle myosin II- and platelet-derived growth factor receptor α–mediated contractility and traction forces, which are transduced to Fn through α5β1 integrin. We further show that prostate cancer cells use αv integrin to migrate efficiently and directionally on CAF-derived matrices. We demonstrate that aligned Fn is a prominent feature of invasion sites in human prostatic and pancreatic carcinoma samples. Collectively, we present a new mechanism by which CAFs organize the Fn matrix and promote directional cancer cell migration.

To investigate the mechanisms by which adhesions form and disperse in migrating cells, we expressed α5 integrin, α-actinin, and paxillin as green fluorescent protein (GFP) fusions. All localized with their endogenous counterparts and did not perturb migration when expressed at moderate levels. α5-GFP also rescued the adhesive defects in CHO B2 cells, which are α5 integrin deficient. In ruffling cells, α5-GFP and α-actinin–GFP localized prominently at the leading edge in membrane protrusions. Of the three GFP fusion proteins that we examined, paxillin was the first component to appear visibly organized in protrusive regions of the cell. When a new protrusion formed, the paxillin appeared to remodel from older to newer adhesions at the leading edge. α-Actinin subsequently entered adhesions, which translocated toward the cell center, and inhibited paxillin turnover. The new adhesions formed from small foci of α-actinin–GFP and paxillin-GFP, which grew in size. Subsequently, α5 integrin entered the adhesions to form visible complexes, which served to stabilize the adhesions. α5-GFP also resided in endocytic vesicles that emanated from the leading edge of protrusions. Integrin vesicles at the cell rear moved toward the cell body. As cells migrated, α5 vesicles also moved from a perinuclear region to the base of the lamellipodium. The α5 vesicles colocalized with transferrin receptor and FM 4-64 dye. After adhesions broke down in the rear, α5-GFP was found in fibrous structures behind the cell, whereas α-actinin–GFP and paxillin-GFP moved up the lateral edge of retracting cells as organized structures and then dissipated.

The blood-brain barrier (BBB) is a critical structure that serves as the gatekeeper between the central nervous system and the rest of the body. It is the responsibility of the BBB to facilitate the entry of required nutrients into the brain and to exclude potentially harmful compounds; however, this complex structure has remained difficult to model faithfully in vitro. Accurate in vitro models are necessary for understanding how the BBB forms and functions, as well as for evaluating drug and toxin penetration across the barrier. Many previous models have failed to support all the cell types involved in the BBB formation and/or lacked the flow-created shear forces needed for mature tight junction formation. To address these issues and to help establish a more faithful in vitro model of the BBB, we have designed and fabricated a microfluidic device that is comprised of both a vascular chamber and a brain chamber separated by a porous membrane. This design allows for cell-to-cell communication between endothelial cells, astrocytes, and pericytes and independent perfusion of both compartments separated by the membrane. This NeuroVascular Unit (NVU) represents approximately one-millionth of the human brain, and hence, has sufficient cell mass to support a breadth of analytical measurements. The NVU has been validated with both fluorescein isothiocyanate (FITC)-dextran diffusion and transendothelial electrical resistance. The NVU has enabled in vitro modeling of the BBB using all human cell types and sampling effluent from both sides of the barrier.

Three of seven recently identified genes mutated in nonsyndromic mental retardation are involved in Rho family signaling. Two of the gene products, α-p-21-activated kinase (PAK) interacting exchange factor (αPIX) and PAK3, form a complex with the synaptic adaptor protein G-protein-coupled receptor kinase-interacting protein 1 (GIT1). Using an RNA interference approach, we show that GIT1 is critical for spine and synapse formation. We also show that Rac is locally activated in dendritic spines using fluorescence resonance energy transfer. This local activation of Rac is regulated by PIX, a Rac guanine nucleotide exchange factor. PAK1 and PAK3 serve as downstream effectors of Rac in regulating spine and synapse formation. Active PAK promotes the formation of spines and dendritic protrusions, which correlates with an increase in the number of excitatory synapses. These effects are dependent on the kinase activity of PAK, and PAK functions through phosphorylating myosin II regulatory light chain (MLC). Activated MLC causes an increase in dendritic spine and synapse formation, whereas inhibiting myosin ATPase activity results in decreased spine and synapse formation. Finally, both activated PAK and activated MLC can rescue the defects of GIT1 knockdown, suggesting that PAK and MLC are downstream of GIT1 in regulating spine and synapse formation. Our results point to a signaling complex, consisting of GIT1, PIX, Rac, and PAK, that plays an essential role in the regulation of dendritic spine and synapse formation and provides a potential mechanism by which αPIX and PAK3 mutations affect cognitive functions in mental retardation.

The WNT signaling network is comprised of multiple receptors that relay various input signals via distinct transduction pathways to execute multiple complex and context-specific output processes. Integrity of the WNT signaling network relies on proper specification between canonical and non-canonical pathways, which presents a regulatory challenge given that several signal transducing elements are shared between pathways. Here, we report that USP9X, a deubiquitylase, and WWP1, an E3 ubiquitin ligase, regulate a ubiquitin rheostat on DVL2, a WNT signaling protein. Our findings indicate that USP9X-mediated deubiquitylation of DVL2 is required for canonical WNT activation, while increased DVL2 ubiquitylation is associated with localization to actin-rich projections and activation of the planar cell polarity (PCP) pathway. We propose that a WWP1-USP9X axis regulates a ubiquitin rheostat on DVL2 that specifies its participation in either canonical WNT or WNT-PCP pathways. These findings have important implications for therapeutic targeting of USP9X in human cancer.