[논문 리뷰] Superdiffusion dominates intracellular particle motion in the supercrowded space of pathogenic Acanthamoeba castellanii

Julia Reverey, Jae‐Hyung Jeon외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 02.

Lipid Membrane Structure and BehaviorBiochemistry, Genetics and Molecular Biology참고 문헌 64인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 병원성 아카나모바 Acanthamoeba castellanii 내세포 입자 운동이 열확산이 무시할 만큼 미미한 초고밀도 세포질에서 활성 세스켈레탈 운반에 의해 주로 유도되는 초초산운동으로 지배된다는 것을 밝혀냈다. 고속 실시간 세포 영상 촬영과 단일 입자 추적을 통해 세포 이동성과 모터 단백질이 함께 작용하여 세포 기능에 필수적인 장거리 비브라운 운동을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 병원성 원생물인 Acanthamoeba castellanii 내세포 입자 운동의 성격을 조사하기.
• 세포 이동성, 세스켈레탈 구성요소(액틴, 마이크로튜불), 모터 단백질(미오신 II)이 입자 동역학에 기여하는 정도를 규명하기.
• 매우 높은 밀도의 세포질에서 활성 운반과 열확산 중 어느 것이 지배적인지를 평가하기.
• 내세포 소포 및 입자에서 초초산운동의 정도와 메커니즘을 정량화하기.

제안 방법

• Acanthamoeba castellanii에서 내재된 내세포 입자를 추적하기 위해 고속 실시간 세포 영상 촬영을 사용하였다.
• 입자 궤적을 정량화하고 평균 제곱이동(MSD)을 계산하기 위해 단일 입자 추적(SPT) 분석을 적용하였다.
• 약리학적 억제제와 유전자 도구를 사용하여 마이크로튜불, 액틴 필라멘트, 그리고 미오신 II 활성을 선택적으로 억제하였다.
• MSD 스케일링에서 비정상 확산 지수 α를 계산하여 확산, 부분확산, 초초산운동 영역를 구분하였다.
• 세포 이동성을 별도로 정량화하여 입자 이동에 기여하는 정도를 평가하였다.
• 통계적 분석을 통해 대조 조건과 변형 조건에서의 입자 운동을 비교하여 초초산운동의 주요 원인을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Acanthamoeba castellanii 내세포 입자 운반을 특징짓는 운동 유형(확산, 부분확산, 초초산운동)은 무엇인가?
• RQ2 세포 이동성이 장거리 입자 이동에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 액틴, 마이크로튜불, 미오신 II 등 세스켈레탈 구성요소와 모터 단백질 중 초초산운동을 주로 담당하는 것은 무엇인가?
• RQ4 세포질의 고밀도 상태가 활성 운반과 수동 운반 메커니즘 간 지배력에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• A. castellanii 내세포 입자 운동은 주로 초초산운동이며, 비정상 확산 지수 α > 1로 활성 운반을 나타낸다.
• 세포 이동성이 입자 이동에 크게 기여하지만, 초초산운동의 유일한 원인은 아니다.
• 미오신 II 억제로 인해 초초산운동이 뚜렷이 감소하여, 이는 내세포 운반의 주요 추진력임을 규명하였다.
• 액틴 필라멘트 억제로 초초산운동이 감소하는 반면, 마이크로튜불 억제는 덜 영향을 미쳐, 액틴-미오신 II 체계가 주요 운반 시스템임을 시사한다.
• 초고밀도 세포질에서 열확산은 무시할 수 없을 정도로 미미하여, 기능적인 내세포 운반을 가능하게 하는 것은 오직 활성 운반뿐임을 확인하였다.
• 세포질 환경는 소포와 입자가 매우 농축되어 있어 수동 확산만으로는 기능적인 내세포 운반을 유지를 할 수 없다.