Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3881
Sambeth, Ralf
Theoretical Studies of Biological Cell Motility
168 S., 2001
In kriechenden Zellen erzeugt die Polymerisation von Aktin in ein filamentöses Netzwerk
lamellare Protrusionen, die die Vorwärtsbewegung der Zelle begleiten. Erst kürzlich wurde entdeckt,
daß Arp2/3 die Verzweigung von Aktin-Filamenten bewirkt, indem an bereits existierenden
Filamenten neue Filamente in einem Winkel von ca. [phi] = 70° wachsen. Gegenstand der vorliegenden
Arbeit ist diese Motilität amöboider Zellen. Anhand mehrerer computerbasierter Modelle werden
einmal der generelle Mechanismus der Bewegung, sowie die besondere Bedeutung des verzweigten
Netzwerkwachstums untersucht.
Zunächst steht das treadmilling der Aktin-Filamente im Vordergrund. Mittels Monte Carlo
Simulationen auf einem Gitter wird ein zweidimensionales Modell betrachtet und untersucht,
welche Bewegungsform durch das treadmilling der Aktinfilamente innerhalb einer Zellmembran
erzeugt werden kann. Es zeigt sich, daß die Membran und die Filamentspitzen kooperieren, um die
Wirkung der Polymerisation zu maximieren. Um die Wechselwirkung zwischen der Modellzelle
und dem Substrat zu untersuchen, wird ein treadmilling-basiertes Modell mit den Methoden
der Langevin Modellierung im Kontinuum untersucht. In zwei Dimensionen wird das Modell
erweitert, um die Phänomene Chemotaxis und Durotaxis zu beschreiben.
Weiterhin werden die Konsequenzen der von Arp2/3 induzierten Verzweigung an der
Zellperipherie behandelt, sowohl mit Langevin Simulationen als auch mit analytischen
Berechnungen. Der Antagonismus zwischen Filamentverzweigung und pointed end capping führt zu dem
Phänomen des zellulären persistenten random walk. In einem effektiveindimensionalen
Computermodell versorgt die Zellmembran alle Aktin-Filamente mit Arp2/3, die sich in ihrer Nähe
aufhalten, wodurch die Modellzelle polarisiert wird. Die dadurch hervorgerufene
autokatalytische Polymerisation bedient sich der räumlichen Polarisation und generiert eine persistente
und polarisierte Aktinverteilung, die zu dem persistenten random walk der amöboiden Zellen
führt.
In crawling cells, the polymerisation of actin into a filamentous network generates lamellar
protrusion into the direction of locomotion. Only recently it was discovered, that Arp2/3 nucleates
the branching of actin filaments, by allowing new filaments to grow from old ones at an angle of
roughly [phi] = 70°. Topic of the present work is the amoeboid cell motility. Using computerbased
models, the general mechanism of locomotion, and the special relevance of branched networks is
studied.
First the treadmilling of actin filaments is focused on. By Monte Carlo simulations on a lattice,
in a two dimensional model the kind of locomotion is studied, that is generated by treadmilling
filaments inside a cell membrane. It is show, that the membrane and the filament tips cooperate to
maximise the effect of polymerisation. The interaction between the model cell and the substrate
is looked at in a treadmilling based model by continuous Langevin simulations. In two dimensions
the model can be specialised to describe the phenomena of chemotaxis and durotaxis.
Furthermore, the consequences of Arp2/3 induced branching near the cell's periphery is
analysed, both by means of Langevin simulations and analytical calculations. The antagonism
between filament branching and pointed end capping leads to the phenomenon of the cellular
persistent random walk. In an effectively one dimensionl computer model, the cell membrane
supplies Arp2/3 to actin filaments within a certain range, thus polarising the cell. The resulting
autocatalytic polymerisation amplifies this spatial polarisation and generates a persistent actin
distribution, that leads to the persistent random walk of amoeboid cells.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de