[論文レビュー] Contraction of a Bundle of Actin Filaments: 50 years after Szent-Gyorgyi

Ken Sekimoto, Hatsumi Nakazawa|ArXiv.org|Apr 19, 2000

Stochastic processes and statistical mechanics参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、二価のミオシンモーターによって駆動されるアクチンフィラメントバンドルの動的モデルを提案し、反平行フィラメントの確率的移動が、初期状態がランダムであっても、網膜の短縮を引き起こすことを示している。数値シミュレーションにより、バンドルの短縮、極性によるアクチンクラスタリング、極性アームの形成といった、主要な実験的特徴が再現され、筋肉生物学における50年間の未解決の謎が解けた。

ABSTRACT

Biological systems are among the most challenging subjects for theoretical physicists, as well as experimentalists or simulationists. Physical principles should have been both constraints and guide-lines for the evolution of living systems over billions of years. One generally aims at clarifying what physical principles, possibly new ones, are behind the phenomena of biological interest and at understanding how they work within the entire biological world. In the present talk we describe an example of such an effort. Since the discovery of `superprecipitation' by Szent-Gyorgyi's group in 1940's, it has been a long puzzle how an assemblage of actin filaments with random orientation can contract in the presence of the two-headed myosin molecules undergoing actin-activated ATP-hydrolysis reaction. It is widely accepted that during the contraction the two-headed myosin mediates the relative sliding of two actin filaments whose polarity directions are not parallel but rather anti-parallel. But this fact solely does not account for the shortening. We propose a dynamical model which, upon numerical simulation, exhibits the shortening of an bundle of the actin filaments which are initially dirstributed randomly both in space along a line and in polarity direction. In the course of shortening several clusters of actins appears along the bundle. The model also shows the sorting of the actin filaments according to their polarity in the late stage. These findings are in accordance with the recent experiment by Takiguchi.

研究の動機と目的

• Szent-Gyorgyiによる「スーパークリープ」の発見から50年が経過した現在まで解けなかった、ランダムに配向したアクチンフィラメントがミオシンとATPが存在する中でどのように収縮するかという長年の謎を解明すること。
• 特に、確率的なモーター活動から秩序がどのように生じるかを含む、生物学的系における集団的収縮の物理的原理を理解すること。
• 初期位置および極性がランダムに分布する反平行フィラメントのバンドルにおいて、二価ミオシンモーターがどのように網膜の短縮を引き起こすかをモデル化すること。
• 実験的に観察された現象——バンドルの短縮、極性によるアクチンクラスタリング、極性アームの形成——を統一的な物理的枠組みで説明すること。

提案手法

• 右向き（σ=+）および左向き（σ=−）の極性を持つフィラメントを別々に追跡する、アクチンフィラメント密度の平均場流体力学的モデルを構築する。
• 各極性種に対する連続の方程式を導出する：∂ρσ/∂t = −∂/∂x [v̄(x)ρσ]、ここで v̄(x) はバンドルの平均移流速度を表す。
• 移流速度を v̄(x) = κ₀[−(2b²/ℓ)x + (bℓ/3)log(ρ₊/ρ₋)] としてモデル化し、空間非一様性および極性依存のモーター作用を組み込む。
• パラメトリック表現を用いて進化方程式を解析的に解き、ρσ(x̂(X,t),t) = ρσ(X,0)[∂x̂/∂X]⁻¹ の形の解を得る。
• 空間的変動を無視してモーター活動の周波数を一定と仮定する（κ₀ = κ₀）ことで、主要な力学的特徴を保ちつつ解析的取り扱いを可能にする。
• 数値シミュレーションを実施し、解析解の妥当性を検証するとともに、さまざまな初期密度分布下でのクラスタリングおよび短縮ダイナミクスを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期極性秩序が欠如するにもかかわらず、ランダムに配向したアクチンフィラメントのバンドルがどのように収縮するのか？
• RQ2 ミオシンモーターが反平行フィラメントに作用する際に、どのようにしてネットの短縮が生じるのか？
• RQ3 フィラメント密度および極性分布の空間的非一様性が収縮ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 移流速度式における対数補正項が、クラスタリングおよび短縮を促進する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ5 最小限の確率的モデルが、極性アームの形成を含め、実験的に観察されたアクチンバンドル収縮の特徴を再現できるか？

主な発見

• モデルは、フィラメントの初期位置および極性がランダムであっても、実験的に観察されたバンドルの縦方向の短縮を再現する。
• 数値シミュレーションでは、収縮の過程で、右向きまたは左向きの極性を持つフィラメントが高密度に集まったクラスタが自発的に形成される。
• 移流速度式における対数項は、特にρ₊とρ₋が空間的に反相関する場合に、局所的な密度勾配を増幅することでクラスタリングを強化する。
• 対数補正項が存在しない場合にはアフィン的収縮を示すが、補正項が存在することで密度の非一様な進化とクラスタリングが誘発される。
• モデルは、特定の極性タイプの局所的密度が高くなる「極性アーム」の生成を予測しており、Takiguchiの実験的観察と整合的である。
• モーター周波数をκ₀L₀/L(t) のように時間依存にスケーリングしても、シミュレーションと実験の定性的な一致が保たれることから、時間的変動するモーター利用可能性に対してもモデルのロバスト性が示された。