[論文レビュー] Mechanical properties of branched actin filaments

Mohammadhosein Razbin, Martin Falcke+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 44被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、ローブリポディアにおける接着によるアクチンフィラメントの機械的剛性化を調査し、分岐したフィラメントを一方の端に固定され、先端膜によって制約されたワーム様チェーンとしてモデル化する。分岐により剛性が著しく向上し、最大で4.5倍に達する。これは分岐点の位置とフィラメントの傾きに依存し、中間的な角度と位置で最大の剛性化が観察される。また、分岐ネットワークは、フィッシュキラトサイトで観察された実験的力-速度応答を再現する。

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.

研究の動機と目的

• ローブリポディアにおけるアクチンフィラメントの剛性に及ぼす分岐の機械的寄与を定量すること。
• 分岐がアクチンネットワークの力-変位応答に与える影響を理解すること。
• 分岐効果をクロスリンクの影響から分離するために、膜によって制約された一方の端に固定されたワーム様チェーンとして分岐フィラメントをモデル化すること。
• 分岐ネットワークと非分岐ネットワークを比較し、分岐がネットワークレベルの機械的性質にどのように影響を与えるかを特定すること。
• クロスリンクを含まない最小限の分岐アクチンネットワークモデルを用いて、フィッシュキラトサイトからの実験的力-速度データを再現すること。

提案手法

• 個々の分岐フィラメントを弱い曲げ領域における半柔軟ポリマー（ワーム様チェーン）としてモデル化する。
• フォッカー・プランク方程式とグリーン関数形式を用いて、熱揺らぎ下でのフィラメント先端位置の確率分布を計算する。
• 膜の制約を課し、フィラメントの延長を一方の方向に制限することで、有効なエントロピック力を生成する。
• ローブリポディアで測定されたランダムな分岐点位置とフィラメントの向き分布を平均化して、ネットワーク挙動をシミュレートする。
• 膜の位置、グリフスティフネス、フィラメントの幾何学的形状を関数として、1本のフィラメントあたりの力を計算する。
• 分岐ネットワークと非分岐ネットワークの平均力を比較し、分岐による剛性化効果を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分岐は個々のアクチンフィラメントの機械的剛性にどのように影響するか？
• RQ2 分岐フィラメントの剛性は、分岐点の位置とフィラメントの傾き角度にどのように依存するか？
• RQ3 分岐ネットワークの機械的性質は、非分岐ネットワークと比べてどのように異なるか？
• RQ4 クロスリンクを含まないモデルで、ローブリポディアの力-速度応答を再現できるか？
• RQ5 フィラメントの向き分布が、分岐アクチンネットワークの機械的出力に果たす役割は何か？

主な発見

• 分岐によりアクチンフィラメントの剛性が最大で4.5倍に向上し、最大の剛性化は中間的な分岐点位置と約±35°の傾き角度で発生する。
• 剛性化効果は、母体フィラメントに沿った中間的な位置に分岐点があり、膜に対して中間的な角度で傾いている場合に顕著に現れる。
• ローブリポディアのフィラメント向き分布を想定した場合、分岐フィラメント1本あたりの平均力と非分岐フィラメントの比は約2であり、ネットワークの圧縮、グリフスティフネス、持久長にほとんど依存しない。
• モデルは、フィッシュキラトサイトにおける力-速度実験で観察された弱い応答と強い応答の両方を再現する。
• 分岐による剛性化効果はフィラメントの向きと分岐点位置に強く依存し、γ = 70°および傾き角度が±35°付近で最大の増幅が観察される。
• 本研究は、クロスリンクが存在しない状況でも分岐そのものがアクチンネットワークの剛性を顕著に向上させられることを示し、ローブリポディアにおける機械的性質を理解するための定量的根拠を提供する。