リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「Lamellipodium tip actin barbed ends serve as a force sensor」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

Lamellipodium tip actin barbed ends serve as a force sensor

Koseki, Kazuma 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k23610

2022.01.24

概要

細胞は、周囲の硬さや外からの牽引力を感知して伸展し、遊走の方向を変える。しかし、どのようにして細胞が外力を知覚し、細胞突出を開始するかは明らかになっていない。細胞先導端においては、アクチンは線維の速い伸長端である反矢じり端を外側に向け、細胞を突出させる力を生み出すと考えられてきた。今回の研究では、細胞内でアクチン重合を可視化する蛍光アクチン単分子イメージングを用い、細胞に与えた牽引力に対するアクチン重合の応答を測定し、アクチン線維の反矢じり端が細胞先導端における能動的な「力学センサー」としても振る舞うことを見出した。

まず、弾性のある培養基質を通して細胞内蛍光一分子を可視化する手法を確立した。ガラス上にPDMS シリコンラバーを50 マイクロメーターの厚さでスピンコートし、表面をポリリジンで修飾した。基質中にビーズを混ぜることで、蛍光一分子観察と同時に基質の変位を定量化した。明るく優れた光安定性をもつDyLight550 標識アクチンを、電気穿孔法を用い低濃度で導入した細胞をその上に播種した。観察時にP DMS の屈折率近くに最適化されたシリコン浸対物レンズを用いることで、信号の検出を改善した。マイクロニードルで基質を引っ張ることにより細胞端を伸展させると、ラメリポディアの先端のみでアクチン重合が速やかに増加した。この応答は、牽引後8 秒以内でほぼ最大に達し、アクチン重合頻度の増加は、速く牽引したときに特に大きい反応がみられた。さらに基質を牽引したのちホールドした段階においても、アクチン重合の促進が保たれたが、そのとき牽引量の増加に従って細胞端に接する反矢じり端にかかる力が減弱することが観察された。これらの牽引から保持の間、細胞端の突出が観察され、30 秒間に細胞内アクチン総量の5%に匹敵する分を、細胞局所で余計に重合させることが判明した。また、この牽引力によるアクチン重合の亢進は、先導端の主要なアクチン重合促進因子であるWAVE 複合体およびEna/VASP タンパク質を先導端から取り除いても観察された。フォルミンファミリータンパク質については、同ファミリーが重合する線維へ取込まれにくいGFP アクチンを用いても応答が確認されるため、関与しないと結論付けた。

一般に、アクチン重合と細胞を突出させる力の関係は、細胞膜とアクチン反矢じり端との間に生じる間隙に、確率的にG アクチンが入り込み重合することで膜を前方に押し出すブラウンラチェットモデルによって、理論的に説明されている。今回の研究で見つかった牽引力による重合促進の性質は、牽引力の速度が速い領域でより急峻に重合が増加するという、ブラウンラチェットモデルでの予測に一致したものであった。これらの結果から、アクチン反矢じり端そのものが直接外力のセンサーとして働き、線維伸長速度を変化させ、細胞に加えられた牽引力に向かって線維を伸長させる機構が細胞先導端に存在することが判明した。ブラウンラチェットモデルを用いた理論的計算によると、牽引力に効率よく応答しアクチン伸長速度を大きく変化させるためには、あらかじめ個々の反矢じり端にかかる力が弱く、重合速度が速い領域にあることが必要であると予測される。実際、細胞先導端のラメリポディアでは、アクチン線維が高密度で外向きに並び、求心性流動のため絶えず速い速度で伸長している。今回見出された細胞先導端のアクチン重合による力学センサーは、これらのラメリポディアの特殊な状況に支えられたものであり、細胞が外力に即座に応答し突出や遊走の方向を変えるための根源的な仕組みである可能性が示唆される。

この論文で使われている画像

参考文献

Abercrombie, M., Heaysman, J.E. & Pegrum, S.M. (1970) The locomotion of fibroblasts in culture. 3. Movements of particles on the dorsal surface of the leading lamella. Exp Cell Res 62, 389-398.

Abraham, V.C., Krishnamurthi, V., Taylor, D.L. & Lanni, F. (1999) The actin-based nanomachine at the leading edge of migrating cells. Biophys J 77, 1721-1732.

Astumian, R.D. & Derenyi, I. (1998) Fluctuation driven transport and models of molecular motors and pumps. Eur Biophys J 27, 474-489.

Auinger, S. & Small, J.V. (2008) Correlated Light and Electron Microscopy of the Cytoskeleton. Methods Cell Biol 88, 257-272.

Bear, J.E., Loureiro, J.J., Libova, I., Fassler, R., Wehland, J. & Gertler, F.B. (2000) Negative regulation of fibroblast motility by Ena/VASP proteins. Cell 101, 717-728. Bear, J.E., Svitkina, T.M., Krause, M., Schafer, D.A., Loureiro, J.J., Strasser, G.A., Maly, I.V., Chaga, O.Y., Cooper, J.A., Borisy, G.G. & Gertler, F.B. (2002) Antagonism between Ena/VASP proteins and actin filament capping regulates fibroblast motility. Cell 109, 509-521.

Bieling, P., Li, T.D., Weichsel, J., McGorty, R., Jreij, P., Huang, B., Fletcher, D.A. & Mullins, R.D. (2016) Force Feedback Controls Motor Activity and Mechanical Properties of Self-Assembling Branched Actin Networks. Cell 164, 115-127.

Bray, D. (1984) Axonal growth in response to experimentally applied mechanical tension. Dev Biol 102, 379-389.

Cai, Z., Qiu, W., Shao, G. & Wang, W. (2013) A new fabrication method for all-PDMS waveguides. Sensors and Actuators A: Physical 204, 44-47.

Carlsson, A.E. (2003) Growth velocities of branched actin networks. Biophys J 84, 2907- 2918.

Demoulin, D., Carlier, M.F., Bibette, J. & Baudry, J. (2014) Power transduction of actin filaments ratcheting in vitro against a load. Proc Natl Acad Sci U S A 111, 17845- 17850.

Dickinson, R.B. & Purich, D.L. (2002) Clamped-filament elongation model for actin- based motors. Biophys J 82, 605-617.

Eden, S., Rohatgi, R., Podtelejnikov, A.V., Mann, M. & Kirschner, M.W. (2002) Mechanism of regulation of WAVE1-induced actin nucleation by Rac1 and Nck. Nature 418, 790-793.

Engler, A.J., Sen, S., Sweeney, H.L. & Discher, D.E. (2006) Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell 126, 677-689.

Footer, M.J., Kerssemakers, J.W., Theriot, J.A. & Dogterom, M. (2007) Direct measurement of force generation by actin filament polymerization using an optical trap. Proc Natl Acad Sci U S A 104, 2181-2186.

Forscher, P. & Smith, S.J. (1988) Actions of cytochalasins on the organization of actin filaments and microtubules in a neuronal growth cone. J Cell Biol 107, 1505-1516.

Gertler, F.B., Niebuhr, K., Reinhard, M., Wehland, J. & Soriano, P. (1996) Mena, a relative of VASP and Drosophila Enabled, is implicated in the control of microfilament dynamics. Cell 87, 227-239.

Heinemann, F., Doschke, H. & Radmacher, M. (2011) Keratocyte lamellipodial protrusion is characterized by a concave force-velocity relation. Biophys J 100, 1420- 1427.

Higashida, C., Kiuchi, T., Akiba, Y., Mizuno, H., Maruoka, M., Narumiya, S., Mizuno, K. & Watanabe, N. (2013) F- and G-actin homeostasis regulates mechanosensitive actin nucleation by formins. Nat Cell Biol 15, 395-405.

Higashida, C., Miyoshi, T., Fujita, A., Oceguera-Yanez, F., Monypenny, J., Andou, Y., Narumiya, S. & Watanabe, N. (2004) Actin polymerization-driven molecular movement of mDia1 in living cells. Science 303, 2007-2010.

Higuchi, H. & Takemori, S. (1989) Butanedione monoxime suppresses contraction and ATPase activity of rabbit skeletal muscle. J Biochem 105, 638-643.

Holz, D. & Vavylonis, D. (2018) Building a dendritic actin filament network branch by branch: models of filament orientation pattern and force generation in lamellipodia. Biophys Rev 10, 1577-1585.

Houk, A.R., Jilkine, A., Mejean, C.O., Boltyanskiy, R., Dufresne, E.R., Angenent, S.B., Altschuler, S.J., Wu, L.F. & Weiner, O.D. (2012) Membrane tension maintains cell polarity by confining signals to the leading edge during neutrophil migration. Cell 148, 175-188.

Kunda, P., Craig, G., Dominguez, V. & Baum, B. (2003) Abi, Sra1, and Kette control the stability and localization of SCAR/WAVE to regulate the formation of actin-based protrusions. Curr Biol 13, 1867-1875.

Lamoureux, P., Ruthel, G., Buxbaum, R.E. & Heidemann, S.R. (2002) Mechanical tension can specify axonal fate in hippocampal neurons. J Cell Biol 159, 499-508.

Laurent, V., Loisel, T.P., Harbeck, B., Wehman, A., Grobe, L., Jockusch, B.M., Wehland, J., Gertler, F.B. & Carlier, M.F. (1999) Role of proteins of the Ena/VASP family in actin-based motility of Listeria monocytogenes. J Cell Biol 144, 1245-1258.

Liu, M., Sun, J., Sun, Y., Bock, C. & Chen, Q. (2009) Thickness-dependent mechanical properties of polydimethylsiloxane membranes. Journal of Micromechanics and Microengineering 19, 035028.

Lo, C.M., Wang, H.B., Dembo, M. & Wang, Y.L. (2000) Cell movement is guided by the rigidity of the substrate. Biophys J 79, 144-152.

Machesky, L.M., Mullins, R.D., Higgs, H.N., Kaiser, D.A., Blanchoin, L., May, R.C., Hall, M.E. & Pollard, T.D. (1999) Scar, a WASp-related protein, activates nucleation of actin filaments by the Arp2/3 complex. Proc Natl Acad Sci U S A 96, 3739-3744.

Maruoka, M., Sato, M., Yuan, Y., Ichiba, M., Fujii, R., Ogawa, T., Ishida-Kitagawa, N., Takeya, T. & Watanabe, N. (2012) Abl-1-bridged tyrosine phosphorylation of VASP by Abelson kinase impairs association of VASP to focal adhesions and regulates leukaemic cell adhesion. Biochem J 441, 889-899.

McGrath, J.L., Eungdamrong, N.J., Fisher, C.I., Peng, F., Mahadevan, L., Mitchison, T.J. & Kuo, S.C. (2003) The force-velocity relationship for the actin-based motility of Listeria monocytogenes. Curr Biol 13, 329-332.

Mitchison, T. & Kirschner, M. (1988) Cytoskeletal dynamics and nerve growth. Neuron 1, 761-772.

Miyoshi, T., Tsuji, T., Higashida, C., Hertzog, M., Fujita, A., Narumiya, S., Scita, G. & Watanabe, N. (2006) Actin turnover-dependent fast dissociation of capping protein in the dendritic nucleation actin network: evidence of frequent filament severing. J Cell Biol 175, 947-955.

Mogilner, A. & Oster, G. (1996) Cell motility driven by actin polymerization. Biophys J 71, 3030-3045.

Mogilner, A. & Oster, G. (2003) Force generation by actin polymerization II: The elastic ratchet and tethered filaments. Biophys J 84, 1591-1605.

Mueller, J., Szep, G., Nemethova, M., de Vries, I., Lieber, A.D., Winkler, C., Kruse, K., Small, J.V., Schmeiser, C., Keren, K., Hauschild, R. & Sixt, M. (2017) Load Adaptation of Lamellipodial Actin Networks. Cell 171, 188-200.

Parekh, S.H., Chaudhuri, O., Theriot, J.A. & Fletcher, D.A. (2005) Loading history determines the velocity of actin-network growth. Nat Cell Biol 7, 1219-1223.

Pelham, R.J., Jr. & Wang, Y. (1997) Cell locomotion and focal adhesions are regulated by substrate flexibility. Proc Natl Acad Sci U S A 94, 13661-13665.

Peskin, C.S., Odell, G.M. & Oster, G.F. (1993) Cellular motions and thermal fluctuations: the Brownian ratchet. Biophys J 65, 316-324.

Prass, M., Jacobson, K., Mogilner, A. & Radmacher, M. (2006) Direct measurement of the lamellipodial protrusive force in a migrating cell. J Cell Biol 174, 767-772.

Riveline, D., Zamir, E., Balaban, N.Q., Schwarz, U.S., Ishizaki, T., Narumiya, S., Kam, Z., Geiger, B. & Bershadsky, A.D. (2001) Focal contacts as mechanosensors: externally applied local mechanical force induces growth of focal contacts by an mDia1-dependent and

ROCK-independent mechanism. J Cell Biol 153, 1175-1186. Rogers, S.L., Wiedemann, U., Stuurman, N. & Vale, R.D. (2003) Molecular requirements for actin-based lamella formation in Drosophila S2 cells. J Cell Biol 162, 1079-1088.

Rottner, K., Behrendt, B., Small, J.V. & Wehland, J. (1999) VASP dynamics during lamellipodia protrusion. Nat Cell Biol 1, 321-322.

Serreli, V., Lee, C.F., Kay, E.R. & Leigh, D.A. (2007) A molecular information ratchet. Nature 445, 523-527.

Smith, M.B., Karatekin, E., Gohlke, A., Mizuno, H., Watanabe, N. & Vavylonis, D. (2011) Interactive, computer-assisted tracking of speckle trajectories in fluorescence microscopy: application to actin polymerization and membrane fusion. Biophys J 101, 1794-1804.

Smith, M.B., Li, H., Shen, T., Huang, X., Yusuf, E. & Vavylonis, D. (2010) Segmentation and tracking of cytoskeletal filaments using open active contours. Cytoskeleton 67, 693-705.

Steffen, A., Rottner, K., Ehinger, J., Innocenti, M., Scita, G., Wehland, J. & Stradal, T.E. (2004) Sra-1 and Nap1 link Rac to actin assembly driving lamellipodia formation. EMBO J 23, 749-759.

Theriot, J.A. (2000) The polymerization motor. Traffic (Copenhagen, Denmark) 1, 19-28. Toyabe, S., Sagawa, T., Ueda, M., Muneyuki, E. & Sano, M. (2010) Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality. Nature Physics 6, 988-992.

Watanabe, N. (2012) Fluorescence single-molecule imaging of actin turnover and regulatory mechanisms. Methods Enzymol 505, 219-232.

Watanabe, N. & Mitchison, T.J. (2002) Single-molecule speckle analysis of actin filament turnover in lamellipodia. Science 295, 1083-1086.

Watanabe, N., Tohyama, K. & Yamashiro, S. (2018) Mechanostress resistance involving formin homology proteins: G- and F-actin homeostasis-driven filament nucleation and helical polymerization-mediated actin polymer stabilization. Biochem Biophys Res Commun 506, 323-329.

Wiesner, S., Helfer, E., Didry, D., Ducouret, G., Lafuma, F., Carlier, M.F. & Pantaloni, D. (2003) A biomimetic motility assay provides insight into the mechanism of actin- based motility. J Cell Biol 160, 387-398.

Yamashiro, S., Mizuno, H., Smith, M.B., Ryan, G.L., Kiuchi, T., Vavylonis, D. & Watanabe, N. (2014) New single-molecule speckle microscopy reveals modification of the retrograde actin flow by focal adhesions at nanometer scales. Mol Biol Cell 25, 1010-1024.

Yamashiro, S., Taniguchi, D., Tanaka, S., Kiuchi, T., Vavylonis, D. & Watanabe, N. (2019) Convection-Induced Biased Distribution of Actin Probes in Live Cells. Biophys J 116, 142-150.

Yamashiro, S. & Watanabe, N. (2014) A new link between the retrograde actin flow and focal adhesions. J Biochem 156, 239-248.

Yamashiro, S. & Watanabe, N. (2019) Quantitative high-precision imaging of myosin- dependent filamentous actin dynamics. J Muscle Res Cell Motil. published online https://doi.org/10.1007/s10974-019-09541-x

Zimmermann, J., Brunner, C., Enculescu, M., Goegler, M., Ehrlicher, A., Kas, J. & Falcke, M. (2012) Actin filament elasticity and retrograde flow shape the force-velocity relation of motile cells. Biophys J 102, 287-295.

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文

一発検索!

この論文の関連論文を見る