[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究探讨了片状伪足中肌动蛋白丝因分支而导致的机械硬化现象，将分支丝建模为一端固定的柔韧链（worm-like chain），并受前缘膜的约束。研究发现，分支显著提高了刚度——最高达4.5倍——具体取决于分支点位置和丝的倾斜角度，最大硬化效应出现在中间角度和位置，且分支网络能再现鱼类皮细胞中观测到的实验性力-速度响应。

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.

研究动机与目标

• 量化分支对片状伪足中肌动蛋白丝刚度的机械贡献。
• 理解分支如何影响肌动蛋白网络的力-伸长响应。
• 将分支丝建模为受膜约束的接合型柔韧链，隔离分支效应，排除交联作用的影响。
• 比较分支与非分支网络，确定分支如何改变网络尺度的机械特性。
• 通过仅包含分支而不含交联的最小化模型，再现鱼类皮细胞的实验性力-速度数据。

提出的方法

• 将单个分支肌动蛋白丝建模为弱弯曲区域的半柔性聚合物（柔韧链）。
• 使用福克-普朗克方程与格林函数形式，计算热涨落下丝末端位置的概率分布。
• 施加膜约束，限制丝仅向一侧延伸，从而产生有效的熵弹性力。
• 对片状伪足中测得的随机分支点位置和丝取向分布进行平均，以模拟网络行为。
• 计算单位丝所受的力，作为膜位置、接合刚度和丝几何构型的函数。
• 通过比较分支网络与非分支网络的平均受力，量化分支带来的刚度增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 分支如何影响单个肌动蛋白丝的机械刚度？
• RQ2 分支丝刚度对分支点位置和丝倾斜角度的依赖关系如何？
• RQ3 分支网络的机械特性与非分支网络相比有何不同？
• RQ4 仅包含分支而不含交联的模型能否再现片状伪足的力-速度响应？
• RQ5 丝取向分布如何影响分支肌动蛋白网络的机械输出？

主要发现

• 分支使肌动蛋白丝刚度最高提升4.5倍，最大刚度增强发生在分支点位于母丝中段且丝相对于膜呈约±35°倾斜角时。
• 当分支点位于母丝中段且丝相对于膜呈中等倾斜角时，刚度增强效应最为显著。
• 对于片状伪足的取向分布，分支丝与非分支丝的平均受力之比约为2，且几乎不随网络压缩程度、接合弹性或持久长度变化。
• 该模型能再现鱼类皮细胞力-速度实验中观测到的弱力和强力响应。
• 分支的刚度增强效应对丝取向和分支点位置高度敏感，在γ = 70°且倾斜角接近±35°时达到最大增强。
• 本研究证明，仅靠分支本身即可显著增强肌动蛋白网络的刚度，即使在无交联蛋白存在的情况下亦成立，为理解片状伪足中机械特性的定量基础提供了支持。