[论文解读] Self-organization of stress patterns drives state transitions in actin cortices

Tzer Han Tan, Maya Malik Garbi+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Cell Image Analysis Techniques被引用 4

一句话总结

本研究揭示了由肌球蛋白马达驱动的自组织应力模式可诱导肌动蛋白皮层的状态转变，其中网络连通性与活性应力之间的相互作用导致了不同的稳态。利用荧光单壁碳纳米管，作者识别出一个具有增强应变涨落的临界区域，其特征类似于二级相变，展示了非平衡动力学如何调控生物细胞骨架系统中的集体有序行为。

ABSTRACT

Biological functions rely on ordered structures and intricately controlled collective dynamics. In contrast to systems in thermodynamic equilibrium, order is typically established and sustained in stationary states by continuous dissipation of energy. Non-equilibrium dynamics is a necessary condition to make the systems highly susceptible to signals that cause transitions between different states. How cellular processes self-organize under this general principle is not fully understood. Here, we find that model actomyosin cortices, in the presence of rapid turnover, display distinct steady states, each distinguished by characteristic order and dynamics as a function of network connectivity. The different states arise from a subtle interaction between mechanical percolation of the actin network and myosin-generated stresses. Remarkably, myosin motors generate actin architectures, which in turn, force the emergence of ordered stress patterns. Reminiscent of second order phase transitions, the emergence of order is accompanied by a critical regime characterized by strongly enhanced strain fluctuations. The striking dynamics in the critical regime were revealed using fluorescent single-walled carbon nanotubes as novel probes of cortical dynamics.

研究动机与目标

• 理解非平衡动力学如何调控肌动蛋白-肌球蛋白皮层中有序态的出现。
• 研究机械连通性与肌球蛋白生成的应力在决定皮层状态转变中的作用。
• 探索临界现象是否在活性生物网络中出现，类似于二级相变。
• 开发并应用新型探针，以高分辨率观察活体样条件下皮层的动力学行为。
• 表征网络连通性、应力模式与活性细胞骨架系统集体行为之间的关系。

提出的方法

• 采用具有快速肌动蛋白周转的重构肌动蛋白-肌球蛋白皮层，以模拟体内条件。
• 使用荧光单壁碳纳米管作为高灵敏度探针，以绘制局部应变与应力动力学。
• 改变网络连通性与肌球蛋白活性，以探测不同稳态之间的转变。
• 利用统计力学框架分析应变涨落与应力模式，以检测临界行为。
• 应用非平衡统计力学的概念，解释涌现的有序性与类似相变的转变。
• 结合实验观测与理论建模，建立机械连通性与活性应力生成之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 肌球蛋白生成的应力与肌动蛋白网络连通性如何共同决定肌动蛋白皮层中不同稳态的出现？
• RQ2 这些状态之间的转变是否表现出临界现象的特征，例如涨落发散？
• RQ3 是否可以利用新型纳米尺度传感器，在高时空分辨率下探测临界区域的动力学？
• RQ4 应力模式的自组织在多大程度上驱动活性细胞骨架网络中有序结构的形成？
• RQ5 系统在不同状态下的信号响应有何差异，特别是在临界点附近？

主要发现

• 肌动蛋白-肌球蛋白皮层中的不同稳态取决于网络连通性与肌球蛋白活性，每种状态具有独特的结构与动力学特性。
• 识别出一个临界区域，其中应变涨落显著增强，表明其类似于二级相变的转变。
• 荧光单壁碳纳米管揭示了临界区域中此前未被探测到的动力学，实现了皮层应力模式的高分辨率测绘。
• 肌球蛋白马达生成的应力模式反过来塑造肌动蛋白结构，形成驱动自组织的反馈回路。
• 机械连通性与活性应力生成之间的相互作用决定了系统在有序态之间转变的能力。
• 在临界区域，系统表现出非平衡有序性，具有长程相关性，表明其为一种集体的、可响应信号的状态。