[논문 리뷰] Deconstructing the role of myosin contractility in force fluctuations within focal adhesions

Debsuvra Ghosh, Subhadip Ghosh외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 27.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 63인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 분자 클러치 가설에 기반한 동적 모델을 제안하여, 미오신 II 수축이 집중 부착부의 시간적 힘 변동에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 모터 속도와 결합/해리 속도를 변화시킴으로써, 모델은 수축력이 감소함에 따라 감쇠 진동에서 안정한 한계 사이클 진동으로의 초임계 호프 비분기(transcritical Hopf bifurcation)를 분석적으로 입증한다. 확률적 시뮬레이션은 이러한 예측을 확인하여 평균 클러치와 모터 변형에서 실험적으로 관측된 힘 진동 주파수와 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

Force fluctuations exhibited in focal adhesions (FAs) that connect a cell to its extracellular environment, point to the complex role of the underlying machinery that controls cell migration. To elucidate the explicit role of myosin motors in the temporal traction force oscillations, we vary the contractility of these motors in a dynamical model based on the molecular clutch hypothesis. As the contractility is lowered, effected both by changing the motor velocity and the rate of attachment/detachment, we show analytically in an experimentally relevant parameter space that the system goes from decaying oscillations to stable limit cycle oscillations through a supercritical Hopf bifurcation. As a function of motor activity and the number of clutches, the system exhibits a wide array of dynamical states. We corroborate our analytical results with stochastic simulations of the motor-clutch system. We obtain limit cycle oscillations in the parameter regime as predicted by our model. The frequency range of oscillations in the average clutch and motor deformation compares well with experimental results.

연구 동기 및 목표

• 집중 부착부 내에서 시간적 힘 변동을 유도하는 미오신 II 수축력의 기계적 기전적 역할을 이해하기 위해.
• 모터 속도와 결합/해리 동역학의 변화가 모터-클러치 시스템의 동적 상태에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 감쇠 진동에서 안정한 한계 사이클 진동으로의 전이 조건을 규명하기 위해.
• 분석적 예측을 확률적 시뮬레이션으로 검증하고 예측된 진동 주파수를 실험 데이터와 비교하기 위해.

제안 방법

• 액틴 필라멘트, 미오신 모터, 클러치를 탄성 스프링으로 간주하고, 비가소성 연결을 가진 동적 모델을 개발한다.
• 다양한 수축력 조건에서 모터와 클러치 변형의 역학을 기술하기 위해 결합된 비선형 상미분 방정식 시스템을 사용한다.
• 고유값 분포를 기반으로 가능한 동적 상태를 분류하기 위해 시스템의 특성다항식에 대해 선형 안정성 분석과 뉴턴의 부호 규칙을 적용한다.
• 기본적으로 분석 예측된 진동 행동을 검증하기 위해 기글스키 알고리즘을 사용한 모터-클러치 시스템의 확률적 시뮬레이션을 수행한다.
• 평균 클러치 및 모터 변형에서의 진동 주파수를 분석하고, 이들을 트랙션 힘 현미경 실험 데이터와 비교한다.
• 수축력 감소에 따라 매개변수 공간에서 초임계 호프 비분기 점을 식별하여 안정한 한계 사이클 진동으로의 전이를 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모터 속도 또는 결합/해리 속도 변화에 의해 미오신 수축력이 감소할 경우, 집중 부착부의 시간적 힘 변동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 모터-클러치 시스템에서 안정적이고 자가유지되는 진동이 나타나는 데에 필요한 수축력의 임계 전이점은 무엇인가?
• RQ3 모터 활동과 클러치 수에 따라 시스템의 가능한 동적 상태(예: 안정, 불안정, 진동)는 어떻게 달라지는가?
• RQ4 클러치 및 모터 변형에서 예측된 진동 주파수는 트랙션 힘 현미경으로부터 관측된 실험적 값과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 시스템의 특성다항식의 고유값 구조는 모터-클러치 시스템의 안정성과 진동 행동과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 미오신 수축력이 감소함에 따라(모터 속도 감소 또는 결합/해리 속도 저하로), 시스템은 감쇠 진동에서 안정한 한계 사이클 진동으로의 초임계 호프 비분기(transcritical Hopf bifurcation)를 겪는다.
• 모델은 모터 활동과 클러치 수에 따라 안정 고정점, 불안정 고정점, 진동 영역을 포함한 광범위한 동적 상태를 예측한다.
• 확률적 시뮬레이션은 호프 비분기 발생 영역에서 분석 예측된 안정한 한계 사이클 진동을 확인한다.
• 모델이 예측한 평균 클러치 및 모터 변형의 진동 주파수는 트랙션 힘 현미경에서 관측된 실험 범위 내에 들어있다.
• 선형 안정성 분석 결과, 시스템은 안정된 나선형(감쇠 진동)에서 불안정한 나선형(증폭 진동)으로 전이된 후 안정한 한계 사이클로 전이되며, 이는 지속적 진동의 전조로 불안정한 나선형이 있음을 시사한다.
• 뉴턴의 부호 규칙을 적용한 시스템의 특성다항식 분석 결과, 관련 매개변수 공간 내에서 계수 B와 C의 부호 조합은 오직 네 가지 경우만 가능하며, 이는 고유값 구성이 네 가지의 고유한 동적 클래스로 제한됨을 의미한다.