[논문 리뷰] Mechanical properties of branched actin filaments

Mohammadhosein Razbin, Martin Falcke외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 26.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 44인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 람엘리폴리아 내에서 가지치기로 인한 아크틴 필라멘트의 기계적 강성 증가를 조사한다. 가지치기된 필라멘트는 한쪽 끝에서 고정되고 앞선 가장자리 막으로부터 제약을 받는 웜-유사 체인으로 모델링된다. 연구는 가지치기가 강성에 상당한 영향을 미치며, 가지점 위치와 필라멘트 기울기 각도에 따라 최대 4.5배까지 강성 증가함을 발견하였으며, 중간 각도와 위치에서 최대 강성 증가가 발생한다. 또한 가지치기 네트워크는 물고기 편평세포에서 관찰된 실험적 힘-속도 반응을 재현한다.

ABSTRACT

Cells moving on a two dimensional substrate generate motion by polymerizing actin filament networks inside a flat membrane protrusion. New filaments are generated by branching off existing ones, giving rise to branched network structures. We investigate the force-extension relation of branched filaments, grafted on an elastic structure at one end and pushing with the free ends against the leading edge cell membrane. Single filaments are modeled as worm-like chains, whose thermal bending fluctuations are restricted by the leading edge cell membrane, resulting in an effective force. Branching can increase the stiffness considerably; however the effect depends on branch point position and filament orientation, being most pronounced for intermediate tilt angles and intermediate branch point positions. We describe filament networks without cross-linkers to focus on the effect of branching. We use randomly positioned branch points, as generated in the process of treadmilling, and orientation distributions as measured in lamellipodia. These networks reproduce both the weak and strong force response of lamellipodia as measured in force-velocity experiments. We compare properties of branched and unbranched networks. The ratio of the network average of the force per branched filament to the average force per unbranched filament depends on the orientation distribution of the filaments. The ratio exhibits compression dependence and may go up to about 4.5 in networks with a narrow orientation distribution. With orientation distributions measured in lamellipodia, it is about two and essentially independent from network compression, graft elasticity and filament persistence length.

연구 동기 및 목표

• 람엘리폴리아 내에서 가지치기의 아크틴 필라멘트 강성에 기여하는 기계적 기여도를 정량화하는 것.
• 가지치기가 아크틴 네트워크의 힘-변형 반응에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것.
• 가지치기 효과를 크로스링킹과 분리하기 위해, 한쪽 끝에서 고정되고 막으로 제약을 받는 기반으로 가지치기된 필라멘트를 웜-유사 체인으로 모델링하는 것.
• 가지치기 네트워크와 비가지치기 네트워크를 비교하여, 가지치기가 네트워크 수준의 기계적 성질에 어떻게 영향을 미치는지 파악하는 것.
• 크로스링킹 없이도 가지치기 네트워크의 최소 모델을 사용하여 물고기 편평세포에서의 실험적 힘-속도 데이터를 재현하는 것.

제안 방법

• 개별 가지치기 아크틴 필라멘트를 약간 굽히는 영역에서의 반탄성 고무줄(웜-유사 체인)로 모델링한다.
• 열적 불확실성 하에서 필라멘트 끝 위치의 확률 분포를 계산하기 위해 포커-플랑크 방정식과 그린 함수 수식을 사용한다.
• 필라멘트의 확장을 한쪽으로 제한하는 막 제약 조건을 도입하여 효과적인 엔트로피 힘을 생성한다.
• 람엘리폴리아에서 측정된 무작위 가지점 위치와 필라멘트 기울기 분포를 평균화하여 네트워크 거동을 시뮬레이션한다.
• 막 위치, 고정 강성, 필라멘트 기하학에 따라 필라멘트 당 힘을 계산한다.
• 가지치기 네트워크의 평균 힘과 비가지치기 네트워크의 평균 힘을 비교하여 가지치기의 강성 증가 효과를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가지치기는 개별 아크틴 필라멘트의 기계적 강성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 가지치기 필라멘트의 강성은 가지점 위치와 필라멘트 기울기 각도에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 가지치기 네트워크의 기계적 성질은 비가지치기 네트워크와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 크로스링킹 없이도, 가지치기만 포함하는 모델이 람엘리폴리아의 힘-속도 반응을 재현할 수 있는가?
• RQ5 필라멘트 기울기 분포는 가지치기 아크틴 네트워크의 기계적 출력에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 가지치기는 아크틴 필라멘트의 강성을 최대 4.5배까지 증가시키며, 최대 강성 증가가 중간 가지점 위치와 약 ±35°의 기울기 각도에서 발생한다.
• 가지점이 어머니 필라멘트의 중간 위치에 있고, 필라멘트가 막에 대해 중간 각도로 기울어져 있을 때 강성 증가 효과가 가장 두드러진다.
• 람엘리폴리아 기울기 분포에 대해, 가지치기 필라멘트 당 평균 힘과 비가지치기 필라멘트 당 평균 힘의 비율은 약 2이며, 네트워크 압축, 고정 탄성, 영속 길이에 거의 영향을 받지 않는다.
• 모델은 물고기 편평세포에서의 힘-속도 실험에서 관찰된 약한 및 강한 힘 반응을 모두 재현한다.
• 가지치기의 강성 증가 효과는 필라멘트 기울기와 가지점 위치에 매우 민감하며, γ = 70° 및 기울기 각도가 약 ±35°일 때 최대 향상이 발생한다.
• 본 연구는 크로스링커가 없더라도 가지치기 자체만으로도 아크틴 네트워크의 강성이 상당히 증가할 수 있음을 보여주며, 람엘리폴리아의 기계적 성질을 이해하는 데 정량적 기반을 제공한다.