[論文レビュー] Superdiffusion dominates intracellular particle motion in the supercrowded space of pathogenic Acanthamoeba castellanii

Julia Reverey, Jae‐Hyung Jeon+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

Lipid Membrane Structure and BehaviorBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 64被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、熱的拡散が無視できるほど過密なシトプラズムにおいて、病原性アカントアメーバ・カスティレラニ（Acanthamoeba castellanii）の細胞内粒子運動が、主にミオシンIIモーターによって駆動されるアクティブな細骨格輸送によってスーパーディフュージョンが支配的であることを明らかにした。高速ライブセル画像法と単粒子追跡により、細胞の移動性とモーターたんぱく質が共同して、細胞機能に不可欠な長距離非ブラウン運動を実現していることが示された。

ABSTRACT

Acanthamoebae are free-living protists and human pathogens, whose cellular functions and pathogenicity strongly depend on the transport of intracellular vesicles and granules through the cytosol. Using high-speed live cell imaging in combination with single-particle tracking analysis, we show here that the motion of endogenous intracellular particles in the size range from a few hundred nanometers to several micrometers in Acanthamoeba castellanii is strongly superdiffusive and influenced by cell locomotion, cytoskeletal elements, and myosin II. We demonstrate that cell locomotion significantly contributes to intracellular particle motion, but is clearly not the only origin of superdiffusivity. By analyzing the contribution of microtubules, actin, and myosin II motors we show that myosin II is a major driving force of intracellular motion in A. castellanii. The cytoplasm of A. castellanii is supercrowded with intracellular vesicles and granules, such that significant intracellular motion can only be achieved by actively driven motion, while purely thermally driven diffusion is negligible.

研究の動機と目的

• 病原性原生動物アカントアメーバ・カスティレラニにおける細胞内粒子運動の性質を調査すること。
• 細胞移動性、細骨格要素（アクチン、微小管）、およびモーターたんぱく質（ミオシンII）が粒子ダイナミクスに与える寄与を特定すること。
• 極度に過密なシトプラズムにおいて、アクティブ輸送が熱的拡散を上回るかを評価すること。
• 細胞小胞および顆粒内のスーパーディフュージョン運動の程度とメカニズムを定量すること。

提案手法

• アカントアメーバ・カスティレラニにおける内因性細胞内粒子の追跡に、高速ライブセル画像法を用いた。
• 粒子軌跡の定量的解析と平均二乗変位（MSD）の計算に、単粒子追跡（SPT）分析を適用した。
• 薬理学的阻害剤および遺伝子操作技術を用いて、微小管、アクチン線維、ミオシンII活性をそれぞれ選択的に阻害した。
• MSDスケーリングから異常拡散指数αを計算し、拡散、準拡散、スーパーディフュージョンの領域を区別した。
• 細胞移動性を独立して定量し、粒子の変位に与える寄与を評価した。
• 統計解析により、コントロール状態と変更状態との間で粒子運動を比較し、スーパーディフュージョンの主な駆動要因を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アカントアメーバ・カスティレラニにおける細胞内粒子輸送は、どのような運動様式（拡散、準拡散、スーパーディフュージョン）が特徴的か？
• RQ2 細胞移動性は、長距離粒子移動にどの程度寄与しているか？
• RQ3 アクチンやミオシンIIなどの細骨格成分およびモーターたんぱく質が、スーパーディフュージョン運動を主に担っているか？
• RQ4 シトプラズムの過密さは、アクティブ輸送とパッシブ輸送のメカニズムの優位性にどのように影響するか？

主な発見

• A. castellaniiにおける細胞内粒子運動は、主にスーパーディフュージョンであり、異常拡散指数α > 1であるため、アクティブ輸送が支配的であることが示された。
• 細胞移動性は粒子の変位に顕著に寄与しているが、スーパーディフュージョンの唯一の要因ではない。
• ミオシンII阻害によりスーパーディフュージョン運動が強く抑制されることから、ミオシンIIが細胞内輸送の主要因であると特定された。
• アクチン線維の破壊はスーパーディフュージョンを低下させるが、微小管阻害はそれほど顕著な影響を示さず、アクチン-ミオシンII系が主要な輸送系であることが示された。
• 過密なシトプラズムにおいて熱的拡散は無視できるほど小さく、アクティブ輸送のみが顕著な粒子運動を可能にしていることが確認された。
• シトプラズムは小胞や顆粒で極めて密集しており、パッシブ拡散だけでは機能的な細胞内輸送を維持できないことが明らかになった。