Focal adhesion kinase (FAK) is a widely expressed nonreceptor protein-tyrosine kinase implicated in integrin-mediated signal transduction pathways and in the process of oncogenic transformation by v-Src. Elevation of FAK's phosphotyrosine content, following both cell adhesion to extracellular matrix substrata and cell transformation by Rous sarcoma virus, correlates directly with an increased kinase activity. To help elucidate the role of FAK phosphorylation in signal transduction events, we used a tryptic phosphopeptide mapping approach to identify tyrosine sites of phosphorylation responsive to both cell adhesion and Src transformation. We have identified four tyrosines, 397, 407, 576, and 577, which are phosphorylated in mouse BALB/3T3 fibroblasts in an adhesion-dependent manner. Tyrosine 397 has been previously recognized as the major site of FAK autophosphorylation. Phosphorylation of tyrosines 407, 576, and 577, which are previously unrecognized sites, is significantly elevated in the presence of c-Src in vitro and v-Src in vivo. Tyrosines 576 and 577 lie within catalytic subdomain VIII--a region recognized as a target for phosphorylation-mediated regulation of protein kinase activity. We found that maximal kinase activity of FAK immune complexes requires phosphorylation of both tyrosines 576 and 577. Our results indicate that phosphorylation of FAK by Src (or other Src family kinases) is an important step in the formation of an active signaling complex.

Alternative models of cell mechanics depict the living cell as a simple mechanical continuum, porous filament gel, tensed cortical membrane, or tensegrity network that maintains a stabilizing prestress through incorporation of discrete structural elements that bear compression. Real-time microscopic analysis of cells containing GFP-labeled microtubules and associated mitochondria revealed that living cells behave like discrete structures composed of an interconnected network of actin microfilaments and microtubules when mechanical stresses are applied to cell surface integrin receptors. Quantitation of cell tractional forces and cellular prestress by using traction force microscopy confirmed that microtubules bear compression and are responsible for a significant portion of the cytoskeletal prestress that determines cell shape stability under conditions in which myosin light chain phosphorylation and intracellular calcium remained unchanged. Quantitative measurements of both static and dynamic mechanical behaviors in cells also were consistent with specific a priori predictions of the tensegrity model. These findings suggest that tensegrity represents a unified model of cell mechanics that may help to explain how mechanical behaviors emerge through collective interactions among different cytoskeletal filaments and extracellular adhesions in living cells.

Cells change their form and function by assembling actin stress fibers at their base and exerting traction forces on their extracellular matrix (ECM) adhesions. Individual stress fibers are thought to be actively tensed by the action of actomyosin motors and to function as elastic cables that structurally reinforce the basal portion of the cytoskeleton; however, these principles have not been directly tested in living cells, and their significance for overall cell shape control is poorly understood. Here we combine a laser nanoscissor, traction force microscopy, and fluorescence photobleaching methods to confirm that stress fibers in living cells behave as viscoelastic cables that are tensed through the action of actomyosin motors, to quantify their retraction kinetics in situ, and to explore their contribution to overall mechanical stability of the cell and interconnected ECM. These studies reveal that viscoelastic recoil of individual stress fibers after laser severing is partially slowed by inhibition of Rho-associated kinase and virtually abolished by direct inhibition of myosin light chain kinase. Importantly, cells cultured on stiff ECM substrates can tolerate disruption of multiple stress fibers with negligible overall change in cell shape, whereas disruption of a single stress fiber in cells anchored to compliant ECM substrates compromises the entire cellular force balance, induces cytoskeletal rearrangements, and produces ECM retraction many microns away from the site of incision; this results in large-scale changes of cell shape (> 5% elongation). In addition to revealing fundamental insight into the mechanical properties and cell shape contributions of individual stress fibers and confirming that the ECM is effectively a physical extension of the cell and cytoskeleton, the technologies described here offer a novel approach to spatially map the cytoskeletal mechanics of living cells on the nanoscale.

Previously we have demonstrated that focal adhesion kinase (FAK)-promoted migration on fibronectin (FN) by its overexpression in CHO cells is dependent on FAK autophosphorylation at Y397 and subsequent binding of Src to this site. In this report, we have examined the role of FAK association with Grb2 and p130Cas, two downstream events of the FAK/Src complex that could mediate integrin-stimulated activation of extracellular signal-regulated kinases (Erks). We show that a Y925F FAK mutant was able to promote cell migration as efficiently as FAK and that the transfected FAK demonstrated no detectable association with Grb2 in CHO cells. In contrast, cells expressing a FAK P712/715A mutant demonstrated a level of migration comparable to that of control cells. This mutation did not affect FAK kinase activity, autophosphorylation, or Src association but did significantly reduce p130Cas association with FAK. Furthermore, FAK expression in CHO cells increased tyrosine phosphorylation of p130Cas and its subsequent binding to several SH2 domains, which depended on both the p130Cas binding site and the Src binding site. However, we did not detect increased activation of Erks in cells expressing FAK, and the MEK inhibitor PD98059 did not decrease FAK-promoted cell migration. Finally, we show that coexpression of p130Cas further increased cell migration on FN and coexpression of the p130Cas SH3 domain alone functioned as a dominant negative mutant and decreased cell migration. Together, these results demonstrate that p130Cas, but not Grb2, is a mediator of FAK-promoted cell migration and suggest that FAK/ p130Cas complex targets downstream pathways other than Erks in mediating FAK-promoted cell migration.

The focal adhesion kinase (FAK) has been implicated in integrin-mediated signaling events and in the mechanism of cell transformation by the v-Src and v-Crk oncoproteins. To gain further insight into FAK signaling pathways, we used a two-hybrid screen to identify proteins that interact with mouse FAK. The screen identified two proteins that interact with FAK via their Src homology 3 (SH3) domains: a v-Crk-associated tyrosine kinase substrate (Cas), p130Cas, and a still uncharacterized protein, FIPSH3-2, which contains an SH3 domain closely related to that of p130Cas. These SH3 domains bind to the same proline-rich region of FAK (APPKPSR) encompassing residues 711-717. The mouse p130Cas amino acid sequence was deduced from cDNA clones, revealing an overall high degree of similarity to the recently reported rat sequence. Coimmunoprecipitation experiments confirmed that p130Cas and FAK are associated in mouse fibroblasts. The stable interaction between p130Cas and FAK emerges as a likely key element in integrin-mediated signal transduction and further represents a direct molecular link between the v-Src and v-Crk oncoproteins. The Src family kinase Fyn, whose Src homology 2 (SH2) domain binds to the major FAK autophosphorylation site (tyrosine 397), was also identified in the two-hybrid screen.