[论文解读] Superdiffusion dominates intracellular particle motion in the supercrowded space of pathogenic Acanthamoeba castellanii

Julia Reverey, Jae‐Hyung Jeon+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 64被引用 19

一句话总结

本研究揭示，在病原性棘阿米巴（Acanthamoeba castellanii）细胞内，由于肌球蛋白 II 电机驱动的主动细胞骨架运输，颗粒运动主要表现为超扩散，其细胞质处于高度拥挤状态，热扩散可忽略不计。高速活细胞成像与单颗粒追踪技术表明，细胞运动与马达蛋白协同作用，实现了对细胞功能至关重要的长程非布朗运动。

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.

研究动机与目标

• 研究病原性原生生物棘阿米巴（Acanthamoeba castellanii）细胞内颗粒运动的性质。
• 确定细胞运动、细胞骨架成分（肌动蛋白、微管）以及马达蛋白（肌球蛋白 II）对颗粒动力学的贡献。
• 评估在高度拥挤的细胞质中，主动运输是否主导于热扩散。
• 量化细胞内囊泡与颗粒中超扩散运动的程度及其机制。

提出的方法

• 采用高速活细胞成像技术追踪棘阿米巴（Acanthamoeba castellanii）内源性细胞内颗粒的运动。
• 应用单颗粒追踪（SPT）分析方法，量化颗粒轨迹并计算均方位移（MSD）。
• 使用药理学抑制剂和基因工具，选择性破坏微管、肌动蛋白纤维以及肌球蛋白 II 活性。
• 通过 MSD 的标度关系计算异常扩散指数 α，以区分扩散、亚扩散和超扩散状态。
• 独立量化细胞运动，以评估其对颗粒位移的贡献。
• 通过统计分析比较对照组与处理组中的颗粒运动，以识别驱动超扩散的关键因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 在棘阿米巴（Acanthamoeba castellanii）中，细胞内颗粒运输的运动类型（扩散、亚扩散、超扩散）是什么？
• RQ2 细胞运动在长程颗粒位移中所起的作用有多大？
• RQ3 哪些细胞骨架成分和马达蛋白（如肌球蛋白 II）是超扩散运动的主要驱动者？
• RQ4 细胞质拥挤程度如何影响主动运输与被动运输机制的主导地位？

主要发现

• 在 A. castellanii 中，细胞内颗粒运动主要表现为超扩散，异常扩散指数 α > 1，表明为主动运输。
• 细胞运动显著贡献于颗粒位移，但并非超扩散的唯一驱动因素。
• 抑制肌球蛋白 II 显著削弱了超扩散运动，表明其是细胞内运输的主要驱动力。
• 破坏肌动蛋白纤维会减少超扩散，而微管抑制的影响较小，表明肌动蛋白-肌球蛋白 II 系统是主要的运输系统。
• 在高度拥挤的细胞质中，热扩散可忽略不计，证实仅主动运输能实现显著的颗粒运动。
• 细胞质环境因囊泡与颗粒高度密集而极为拥挤，被动扩散无法维持功能性细胞内运输。