Rho GTPase媒介細胞分極のメカノケミカルモデル

A Mechanochemical Model for Rho GTPase Mediated Cell Polarization.

• Kai H Kopfer
• Willi Jäger
• Franziska Matthäus

抄録

真核生物の細胞の運動性を制御するには、アクトミオシン細胞骨格の分極化が必要である。多くの細胞タイプにおいて、アクトミオシン細胞骨格の極性配列は、活性なRho GTPaseの前後対称性の破れに応答して起こる。好中球における実験的証拠は、膜張力が活性Racのフロントドメインへの閉じ込めに重要な役割を果たしていることを示している。我々は、Rho GTPaseが媒介するアクトミオシン細胞骨格ダイナミクスと膜張力の変化を含む、分極のためのメカノケミカルモデルを提案する。このモデルは、外部シグナルに応答して活性化するRho GTPase RacとRhoAで構成されています。活性化した状態は、アクトミオシンの力学を制御します。モデル細胞は、平らな基質に付着した薄い、実質的に二次元のシートと考えられています。アクトミオシン細胞骨格の形態的変化が膜張力の変化を引き起こす。このモデルが好中球の分極の主要な特徴を示すことを数値的に示した。このモデルは、ロバストな極性パターンを生成する能力を持つ単純なメカノケミカル回路を説明するものであり、ここでは細胞力学が長距離信号伝達物質として機能している。

Directed motility of eukaryotic cells requires the polarization of the actomyosin cytoskeleton. In many cell types the polar alignment of the actomyosin cytoskeleton occurs in response to a front-rear symmetry break of active Rho GTPase. Experimental evidence in neutrophils indicates that membrane tension plays an important role in the confinement of active Rac to the front domain. We suggest a mechanochemical model for polarization, including Rho GTPase mediated actomyosin cytoskeleton dynamics and changes in membrane tension as an upstream controller of Rho GTP that reflects this observation. The model comprises the Rho GTPases Rac and RhoA which can become activated in response to external signals. The active states regulate the actomyosin mechanics. The model cell is considered as a thin, effectively two dimensional, sheet adhering to a flat substrate. Morphological changes of the actomyosin cytoskeleton induce changes in membrane tension. We numerically show that the model exhibits key features of neutrophil polarization. The model accounts for a simple mechanochemical circuit with the ability to generate robust polarity patterns, wherein cell mechanics serve as a long range signal transmitter.

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