[論文レビュー] Time in the cell: a plausible role for the plasma membrane

Sepehr Ehsani|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2012

Photosynthetic Processes and Mechanisms参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、細胞膜のピコ秒スケールの振動が、タンパク質の折りたたみや翻訳などのサブ秒スケールの生物学的プロセスを同期化する普遍的な細胞時計として機能すると提案している。膜の物理的性質を活用して一貫した振動を生成することで、このモデルは細胞内の多様な生化学的出来事の統一的時間計測メカニズムを示唆している。

ABSTRACT

All cells must keep time to consistently perform vital biological functions. To that end, the coupling and interrelatedness of diverse subsecond events in the complex cellular environment, such as protein folding or translation rates, cannot simply result from the chance convergence of the inherent chemical properties of these phenomena, but may instead be synchronized through a cell-wide pacemaking mechanism. Picosecond vibrations of lipid membranes may play a role in such a mechanism.

研究の動機と目的

• 細胞が迅速で多様な生化学的プロセスの間で時間的整合性を保つ仕組みについて、未解決の問いに答えること。
• 細胞膜が内因的に持つ物理的性質が、普遍的なタイミングメカニズムとして機能しうるかどうかを調査すること。
• 確率的収束に依存せずに、細胞機能における一貫したタイミングを説明する生物理的メカニズムを提案すること。
• リン脂質膜の振動が、サブ秒スケールでのタンパク質の折りたたみや翻訳などの出来事の同期化に果たす役割を探ること。

提案手法

• 細胞膜におけるピコ秒周波数の振動が、全身的な時計として機能すると提案する。
• 膜を一貫した機械的波を生成可能な動的で振動する構造としてモデル化する。
• リン脂質二重層の力学的性質に基づく生物理的原則を用いて、これらの振動が細胞プロセスの同期化にどのように寄与するかを説明する。
• 弾性や相転移といった膜の物理的性質が、安定した共鳴振動を可能にするという主張を行う。
• 理論的推論を用いて、膜の振動とタンパク質の折りたたみや翻訳速度のタイミングを結びつける。
• このような振動が、細胞全体にわたる一貫した内因的なタイミング信号を提供できると主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細胞膜は、サブ秒スケールの細胞プロセスの普遍的な時計として機能しうるか？
• RQ2 リン脂質膜内のピコ秒スケールの振動が、タンパク質の折りたたみや翻訳の同期化にどのように寄与するか？
• RQ3 細胞膜が多様な細胞機能において一貫したタイミングを保つために、どのような生物理的メカニズムが働くか？
• RQ4 化学的性質の確率的収束では、一貫した細胞のタイミングを説明するのに不十分なのはなぜか？
• RQ5 膜の弾性と相挙動が、細胞時計のための一貫した振動を生成する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 細胞膜のピコ秒スケールの振動が、サブ秒スケールの生物学的プロセスを同期化する全身的時計として機能する可能性がある。
• このモデルは、生化学的ネットワークだけでなく、膜の力学的性質も細胞時計に寄与すると示唆している。
• 膜内の一貫した振動が、細胞全体に安定した内因的なタイミング信号を提供できる。
• このメカニズムは、化学的性質の確率的収束に依存せずに、一貫したタイミングを説明できる。
• 膜が時計として機能するという提案は、細胞機能における時間的整合性の統一的説明を提供する。
• 研究結果は、膜の生物理学的性質が、構造的およびシグナル伝達的機能を超えて、細胞の組織的統合に根幹的な役割を果たしている可能性を示唆している。