[論文レビュー] The role of vimentin-nuclear interactions in persistent cell motility through confined spaces

Sarthak Gupta, Alison E. Patteson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 81被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、閉じたマイクロチャネル内での細胞移動を最小限の計算モデルとして提案し、ケラチンがアクチノミオシンコ皮質と核を機械的に結合する調節因子として機能することを示している。バーミンチンを減少させると、核の変形が増加し、細胞の極性が閉じ込められることに依存するようになり、移動の持続性が向上する—これは、バーミンチン欠損細胞においてより速く、より持続的な運動が観察される実験的観察を説明する。

ABSTRACT

The ability of cells to move through small spaces depends on the mechanical properties of the cellular cytoskeleton and on nuclear deformability. In mammalian cells, the cytoskeleton is comprised of three interacting, semi-flexible polymer networks: actin, microtubules, and intermediate filaments (IF). Recent experiments of mouse embryonic fibroblasts with and without vimentin have shown that the IF vimentin plays a role in confined cell motility. We, therefore, develop a minimal model of cells moving through confined geometries that effectively includes all three types of cytoskeletal filaments with a cell consisting of an actomyosin cortex and a deformable cell nucleus and mechanical connections between the two cortices the outer actomyosin one and the inner nuclear one. By decreasing the amount of vimentin, we find that the cell speed is typically faster for vimentin-null cells as compared to cells with vimentin. Vimentin-null cells also contain more deformed nuclei in confinement. Finally, vimentin affects nucleus positioning within the cell. By positing that as the nucleus position deviates further from the center of mass of the cell, microtubules become more oriented in a particular direction to enhance cell persistence or polarity, we show that vimentin-nulls are more persistent than vimentin-full cells. The enhanced persistence indicates that the vimentin-null cells are more subjugated by the confinement since their internal polarization mechanism that depends on cross-talk of the centrosome with the nucleus and other cytoskeletal connections is diminished. In other words, the vimentin-null cells rely more heavily on external cues. Our modeling results present a quantitative interpretation for recent experiments and have implications for understanding the role of vimentin in the epithelial-mesenchymal transition.

研究の動機と目的

• 閉じた空間内を三次元的に移動する際のバーミンチンの機械的役割を理解すること。
• バーミンチン欠損細胞において観察された細胞速度と持続性の増加を説明すること。
• 閉じ込められた環境下で、バーミンチン-核の結合が核の変形、位置決め、細胞の極性に与える影響を調査すること。
• 閉じた環境において細胞骨格の強度、核の機械的性質、方向性の持続性を結びつける新しいメカニズムを提案すること。

提案手法

• アクチノミオシンコ皮質、変形可能な核、およびそれらの間の機械的結合を有する細胞を模擬する最小限の2次元モデル。
• 動力を得るために前縁およびチャネル壁に沿ってアクチンの力を適用し、スプリングを用いて力のモデル化を行う。
• バーミンチンは、アクチノミオシンコ皮質と核との間の調整可能なリンクスプリングとして表現され、バーミンチンの存在または欠損を模擬するため強度を変更する。
• 核の形状と変形は、圧縮を抵抗する面積スプリングを用いてモデル化され、核の円形度とひずみが追跡される。
• 細胞の持続性は、核軸がチャネル軸に対してとる角度の分布によって定量化される。
• アクチン力の大きさ、リンクスプリングの強度、核の剛性、接着強度などのパラメータを変化させ、バーミンチンの影響を隔離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バーミンチンは、細いマイクロチャネル内を移動する際の細胞速度と持続性にどのように影響するか？
• RQ2 閉じ込められた環境下で、バーミンチンは核の変形と位置決めをどのように調節するか？
• RQ3 バーミンチンの欠損は、細胞骨格と核との間の機械的結合にどのように影響するか？
• RQ4 機械的モデルは、バーミンチン欠損細胞において観察された移動の持続性の増加を説明できるか？
• RQ5 閉じた環境下で、核の位置決め、細胞骨格の力、および細胞の極性の関係は何か？

主な発見

• バーミンチン欠損細胞は、細いチャネル内ではワイルドタイプの細胞よりも高い移動速度を示し、チャネル幅が小さくなるほど速度が増加する。
• バーミンチンの欠損は、より顕著な核の変形と核の位置決めの変化を引き起こし、核がチャネル軸に沿ってより整列するようになる。
• バーミンチン欠損細胞では、核軸の角度分布が90°（出口方向）付近に鋭いピークを示し、有意に高い持続性を示す。
• バーミンチン欠損細胞では核のひずみが増加し、移動中における核への圧縮応力が大きくなる。
• モデルは、バーミンチンが欠損している場合に閉じ込められることで方向性の持続性が向上し、外部のシグナルにより感受性が高くなるという、新しい極性メカニズムを同定した。
• バーミンチンの減少は核の円形度の損失を増加させ、閉じ込められた環境下での形状の歪みが顕著になることを示し、実験的観察の核膜の破綻と整合的である。