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PAR簇通过皮层流动传输的生物物理模型秀丽线虫早期胚胎发生。 (英语) Zbl 1486.92015号

小结:膜结合蛋白的聚集促进了早期皮质肌动蛋白的运输秀丽隐杆线虫胚胎细胞极性。PAR-3聚集对这一过程至关重要,但将蛋白质聚集与皮层流动耦合的生物物理过程仍然未知。我们开发了一个离散的、基于随机代理的蛋白质聚类模型,并测试了四个关于聚类如何与流交互的假设模型。结果表明,根据该领域迄今为止使用的单粒子跟踪数据评估传输特性的标准方法,即Péclet数,不足以区分这些假设,并且所有模型都可以解释通过该度量量化的传输特性。然而,使用该模型,我们证明可以使用不同的度量来区分这些不同的簇-簇相互作用,即簇位移到流位移矢量的标量投影。因此,我们的结果提供了一种可测试的方法,可以使用现有的单粒子追踪数据来测试内源性蛋白簇如何与皮层流动相互作用,从而在极性建立期间定位。为了促进这项研究,我们还开发了改进的模拟和半分析方法,以量化这些随机模型作为生物物理参数函数的运动摘要统计数据(例如,Péclet数和标量投影)。

MSC公司:

92立方厘米 发育生物学,模式形成
92立方厘米 生物力学
92C40型 生物化学、分子生物学
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Agudo-Canalejo,J。;伊利安,P。;Golestanian,R.,协同增强解离寡聚蛋白的反应性和稳定性,国家科学院院刊,117,22,11894-11900(2020)·doi:10.1073/美国国家统计局.1919635117
[2] Aras,理学学士;周,YC;Dawes,A。;Chou,CS,《机械约束对秀丽隐杆线虫早期胚胎中适当极化和假切沟生成的重要性》,《公共科学图书馆计算生物学》,14,7,e1006294(2018)·doi:10.1371/journal.pcbi.1006294
[3] Bayer,M.,大肠杆菌冷冻包膜中的膜粘附区,结构生物学杂志,107,3,268-280(1991)·doi:10.1016/1047-8477(91)90052-x
[4] Bergeler,S。;Frey,E.,《黄粘球菌Pom簇动力学的调节》,《公共科学图书馆计算生物学》,14,8(2018)·doi:10.1371/journal.pcbi.1006358
[5] Bressloff,PC,《细胞生物学中的随机过程》(2014),柏林:施普林格出版社,柏林·Zbl 1402.92001号 ·数字对象标识代码:10.1007/978-3-319-08488-6
[6] PC公司Bressloff;劳利,SD;Murphy,P.,《蛋白质浓度梯度和切换扩散》,Phys Rev E(2019)·doi:10.1103/physreve.99.032409
[7] Chang Y,Dickinson DJ(2021)粒径阈值控制PAR-3在细胞极化过程中的扩散和分离doi:10.1101/2021.06.07.447386
[8] 科恩,AE;Shi,Z.,细胞膜像蜂蜜一样流动还是像果冻一样抖动?,生物论文,42,11900142(2019)·doi:10.1002/bies.201900142
[9] 道斯,AT;Iron,D.,皮层几何形状可能影响早期秀丽隐杆线虫胚胎中Par蛋白结构域之间界面的位置,《Theor Biol杂志》,333,27-37(2013)·Zbl 1397.92084号 ·doi:10.1016/j.jtbi.2013.04.024
[10] 道斯,AT;Munro,EM,PAR-3寡聚化可能提供一种肌动蛋白依赖性机制,以维持秀丽隐杆线虫早期胚胎中不同的PAR蛋白结构域,Biophys J,101,6,1412-1422(2011)·doi:10.1016/j.bpj.2011.07.030
[11] DJ狄金森;施瓦格,F。;Pintard,L。;戈塔,M。;Goldstein,B.,《单细胞生物化学方法揭示了细胞极化过程中PAR复杂动力学》,Dev cell,42,4,416-434(2017)·doi:10.1016/j.devcel.2017.07.024
[12] 杜,C。;Kou,SC,单分子实验中的统计方法,统计科学(2020)·Zbl 07292497号 ·doi:10.1214/19-sts752
[13] Edelstein-Keshet,L。;Ermentrout,GB,《肌动蛋白丝长度分布模型:I.简单聚合和断裂》,《公牛数学生物学》,60,3,449-475(1998)·兹比尔1053.92503 ·doi:10.1006/bulm.1997.0011
[14] Erban,R。;查普曼,SJ,反应扩散过程的随机建模(2019),剑桥:剑桥大学出版社,剑桥·Zbl 1451.60008号 ·doi:10.1017/9781108628389
[15] RC法尔考;Coombs,D.,贝叶斯非参数框架中单粒子轨迹的扩散分析,《物理生物学》,17,2,025001(2020)·doi:10.1088/1478-3975/ab64b3
[16] 甘宾,Y。;Lopez-Esparza,R。;勒菲,M。;Sierecki,E。;挪威政府;Genest,M。;霍奇斯,RS;Urbach,W.,《重新审视液膜中蛋白质的横向流动性》,《国家科学院学报》,103,7,2098-2102(2006)·doi:10.1073/pnas.0511026103
[17] Geßele,R。;哈拉特克,J。;Würthner,L。;Frey,E.,《几何线索稳定秀丽线虫PAR蛋白模式的长轴极化》,《自然社区》(2020年)·数字对象标识代码:10.1038/s41467-020-14317-w
[18] Goehring,NW,PAR极性:从复杂性到设计原则,Exp-Cell Res,328,2,258-266(2014)·doi:10.1016/j.yexcr.2014.08.009
[19] 戈林,西北部;特龙,PK;Bois,JS;乔杜里博士。;EM尼古拉;海曼,AA;Grill,SW,通过模式形成系统的平流触发PAR蛋白的极化,《科学》,334,6059,1137-1141(2011)·doi:10.1126/science.1208619
[20] 戈德斯坦,B。;Macara,IG,《PAR蛋白:动物细胞极化中的基本角色》,Dev cell,13,5,609-622(2007)·doi:10.1016/j.devcel.2007.10.007
[21] 毛重,P。;库马尔,KV;戈林,西北部;Bois,JS;Hoege,C。;Jülicher,F。;Grill,SW,《指导细胞极性建立中的自组织模式形成》,Nat Phys,15,3,293-300(2018)·doi:10.1038/s41567-018-0358-7
[22] Gubieda,AG公司;封隔器,JR;斯奎尔斯,I。;马丁·J。;Rodriguez,J.,《顺其自然:秀丽隐杆线虫合子极化的洞察力》,《Philos Trans Royal Soc B生物科学》,375180920190555(2020)·doi:10.1098/rstb.2019.0555
[23] 哈里斯,CR;KJ Millman;范德沃尔特,SJ;Gommers,R。;Virtanen,P。;库纳波,D。;威瑟,E。;泰勒,J。;Berg,S。;新泽西州史密斯;科恩,R。;Picus,M。;霍耶,S。;van Kerkwijk,MH;布雷特,M。;霍尔丹,A。;del Río,JF;Wiebe,M。;彼得森,P。;热拉尔·马钱特,P。;Sheppard,K。;Reddy,T。;Weckesser,W。;阿巴斯,H。;高尔克,C。;Oliphant,TE,使用NumPy进行数组编程,Nature,585,7825,357-362(2020)·doi:10.1038/s41586-020-2649-2
[24] Harris,TJC,《细胞极性的蛋白质聚类:Par-3作为范例》,F1000 Research,61620(2017)·doi:10.12688/f1000研究11976.1
[25] 福尔摩斯,WR;Edelstein Keshet,L.,调节细胞形状的最小Rho-GTPase回路的分析,Phys Biol,13,4,046001(2016)·doi:10.1088/1478-3975/13/4/046001
[26] 福尔摩斯,WR;卡尔森,AE;Edelstein-Keshet,L.,《难治性肌动蛋白反馈驱动的波型模式机制:从静态极化到动态波行为的转变》,《物理生物学》,9,4,046005(2012)·doi:10.1088/1478-3975/9/4/046005
[27] 福尔摩斯,WR;Lin,B。;列夫琴科,A。;Edelstein-Keshet,L.,合成空间梯度Rac激活驱动的细胞极化建模,《公共科学图书馆·计算生物学》,8,6,e1002366(2012)·doi:10.1371/journal.pcbi.1002366
[28] 福尔摩斯,WR;Park,J。;列夫琴科,A。;Edelstein-Keshet,L.,《极性信号与细胞粘附耦合的数学模型解释了不同的细胞迁移模式》,《公共科学图书馆·计算生物学》,13,5,e1005524(2017)·doi:10.1371/journal.pcbi.1005524
[29] Hubatsch,L。;Peglion,F。;Reich,JD;罗德里格斯,NTL;Hirani,N。;Illukkumbura,R。;Goehring,NW,A cell size threshold limits cell polities and asymmetric division potential,Nat Phys,15,10,1078-1085(2019),《细胞大小阈值限制细胞极性和不对称分裂电位》·数字对象标识代码:10.1038/s41567-019-0601-x
[30] Hunter,JD,Matplotlib:2D图形环境,《计算科学与工程》,9,3,90-95(2007)·doi:10.1109/MCSE.2007.55
[31] 伊利库姆布拉,R。;布兰德,T。;Goehring,NW,《细胞内流动的细胞模式化和极化》,《Curr Opin细胞生物学》,62123-134(2020)·doi:10.1016/j.ceb.2019.10.005
[32] Jilkine,A。;Edelstein-Keshet,L.,单个真核细胞极化响应引导线索的数学模型比较,《公共科学图书馆·计算生物学》,7,4,e1001121(2011)·doi:10.1371/journal.pcbi.1001121
[33] Jilkine,A。;AF马雷;Edelstein-Keshet,L.,基于抑制性串扰的Rho家族GTPase空间分离的数学模型,《公牛数学生物学》,69,6,1943-1978(2007)·Zbl 1298.92037号 ·doi:10.1007/11538-007-9200-6
[34] 奈特,JD;莱纳,MG;Marcano-Velázquez,JG;Pastor,RW;Falke,JJ,膜结合蛋白的单分子扩散:脂质接触和双层动力学窗口,生物物理杂志,99,9,2879-2887(2010)·doi:10.1016/j.bpj.2010.08.046
[35] 科伯,M。;Bergeler,S。;Frey,E.,基于通量的机制能解释蛋白质簇在三维细胞几何中的定位吗?,《生物物理学杂志》,117,3,420-428(2019)·doi:10.1016/j.bpj.2019.06.031
[36] Kowalek等人。;H.奥尔塞夫斯卡湖。;Szwabiñski,J.,《单粒子跟踪数据中扩散模式的分类:基于特征与深度学习方法》,《物理评论E》(2019年)·doi:10.1103/physreve.100.032410
[37] 北卡罗来纳州克拉夫佐娃。;Dawes,AT,《秀丽隐杆线虫早期胚胎极化模型中肌动球蛋白的调节和对称性破坏》,《公牛数学生物学》,76,10,2426-2448(2014)·Zbl 1330.92023号 ·文件编号:10.1007/s11538-014-0016-x
[38] Lam SK、Pitrou A、Seibert S(2015)《农巴》。摘自:2015年HPC-LLVM第二次LLVM编译器基础设施研讨会论文集。ACM出版社。数字对象标识代码:10.1145/2833157.2833162
[39] 郎,CF;Munro,E.,《PAR蛋白质:从分子电路到动态自我稳定细胞极性》,《发育》,144,19,3405-3416(2017)·doi:10.1242/修订版139063
[40] Lemmon,MA,磷脂结合域的膜识别,Nat Rev Mol Cell Biol,9,2,99-111(2008)·doi:10.1038/nrm2328
[41] Lin,B。;福尔摩斯,WR;Wang,J。;上野,T。;A.哈维尔。;Edelstein-Keshet,L。;Takanari Inoue,AL,合成空间梯度rac激活驱动定向细胞极化和运动,PNAS,109,52,E3668-E3677(2012)·doi:10.1073/pnas.1210295109
[42] 刘,Z。;杨,Y。;顾,A。;徐,J。;Mao,Y。;卢,H。;胡,W。;雷,QY;李,Z。;张,M。;蔡,Y。;Wen,W.,相位分离介导的Par复合物簇形成,《自然通讯》(2020)·数字对象标识代码:10.1038/s41467-020-16135-6
[43] AF马雷;Jilkine,A。;Dawes,A。;弗吉尼亚州Grieneisen;Edelstein Keshet,L.,《角质细胞的极化和运动:多尺度建模方法》,Bull Math Biol,68,511169-1211(2006)·Zbl 1334.92062号 ·doi:10.1007/s11538-006-9131-7
[44] 马萨诸塞州马塔;杜托特,M。;Edelstein-Keshet,L。;Holmes,WR,通过非线性局部扰动分析探索的细胞内肌动蛋白波模型,《Theor Biol杂志》,334149-161(2013)·Zbl 1397.92166号 ·doi:10.1016/j.jtbi.2013.06.020
[45] 麦金利,RFA;余,CG;Harris,TJC,通过多层面膜结合机制组装火箭筒极性标志,细胞科学杂志,125,5,1177-1190(2012)·doi:10.1242/jcs.091884
[46] McKinney W(2010)python中统计计算的数据结构。摘自:Stéfan van der W,Jarrod M(编辑)第九届蟒蛇科学会议论文集。第56-61页。doi:10.25080/Majora-92bf1922-00a
[47] 梅尔尼克,JWR;莱西,M。;宾夕法尼亚州巴斯克斯;皮莱,NS;希尔,DB;克里布,J。;南澳大利亚州麦金利;Forest,MG,单颗粒被动微流变数据的最大似然估计,《流变学杂志》,60,3,379-392(2016)·数字对象标识代码:10.1122/1.4943988
[48] 门森,R。;Mani,M.,《基于跳跃距离的颗粒轨道参数推断方案》,《生物物理学杂志》,117,1143-156(2019)·doi:10.1016/j.bpj.2019.06.004
[49] Mittasch,M。;毛重,P。;Nestler,M。;弗里奇,AW;Iserman,C。;卡尔·M。;Munder,M。;Voigt,A。;阿尔贝蒂,S。;格栅,SW;Kreysing,M.,《细胞内流动的非侵入性扰动揭示了细胞组织的物理原理》,《Nat cell Biol》,20,3,344-351(2018)·doi:10.1038/s41556-017-0032-9
[50] Mori,Y。;Jilkine,A。;Edelstein-Keshet,L.,双稳态反应扩散系统的波斑和细胞极性,生物物理学J,94,9,3684-3697(2008)·doi:10.1529/biophysj.107.120824
[51] Munro,E.,《蛋白质聚集形成极性蛋白质梯度》,Dev Cell,42,4,309-311(2017)·doi:10.1016/j.devcel.2017.08.006
[52] 蒙罗,E。;Nance,J。;Priess,JR,不对称收缩转运PAR蛋白驱动的皮层流动,以建立和维持秀丽线虫早期胚胎的前后极性,发育细胞,7,3,413-424(2004)·doi:10.1016/j.devcel.2004.08.001
[53] 佩雷斯,F。;Granger,BE,IPython:交互式科学计算系统,《计算科学与工程》,9,3,21-29(2007)·doi:10.1109/MCSE.2007.53
[54] 罗宾,FB;麦克法登,WM;姚,B。;Munro,EM,秀丽隐杆线虫胚胎细胞表面动力学的单分子分析,Nat Methods,11,6,677-682(2014)·doi:10.1038/nmeth.2928
[55] 罗德里格斯,J。;Peglion,F。;马丁·J。;Hubatsch,L。;Reich,J。;Hirani,N。;Gubieda股份有限公司;罗菲,J。;费尔南德斯,AR;St Johnston,D.,aPKC在功能不同的PAR蛋白组合之间循环以驱动细胞极性,Dev cell,42,4,400-415.e9(2017)·doi:10.1016/j.devcel.2017.07.007
[56] 水手,A。;Anneken,A。;李毅。;Lee,S。;Munro,E.,聚集蛋白的动态对立稳定秀丽线虫合子的皮层极性,《发育细胞》,35,1,131-142(2015)·doi:10.1016/j.devcel.2015.09.006
[57] Seirin-Lee,S。;EA加夫尼;Dawes、AT、CDC-42与Par蛋白的相互作用对极化模式的正确形成至关重要,《细胞》,9,9,2036(2020)·doi:10.3390/cells9092036
[58] 施,Z。;格雷伯,ZT;Baumgart,T。;石头,HA;科恩,AE,《细胞膜抵抗流动》,《细胞》,175,7,1769-1779(2018)·doi:10.1016/j.cell.2018.09.054
[59] 汤普森,BJ,细胞极性和粘附中的Par-3家族蛋白,FEBS J(2021)·doi:10.1111/febs.15754
[60] Virtanen,P。;Gommers,R。;奥列芬特,TE;哈伯兰,M。;Reddy,T。;库纳波,D。;Burovski,E。;彼得森,P。;Weckesser,W。;Bright,J。;范德沃特,SJ;布雷特,M。;Wilson,J。;KJ Millman;北马约罗夫。;纳尔逊,ARJ;琼斯,E。;科恩,R。;Larson,E。;CJ Carey;Polat Feng,Y。;摩尔,EW;范德普拉斯,J。;Laxalde博士。;佩克托尔德,J。;Cimrman,R。;亨利克森,I。;昆特罗,EA;哈里斯,CR;阿奇博尔德,AM;里贝罗,AH;佩德雷戈萨,F。;van Mulbregt,P。;SciPy 10贡献者,SciPy1.0:python中科学计算的基本算法,自然方法,17,261-272(2020)·doi:10.1038/s41592-019-0686-2
[61] 王,SC;低,TYF;Y.西村。;Gole,L。;于伟(Yu,W.)。;Motegi,F.,皮质力和CDC-42控制秀丽隐杆线虫胚胎极化PAR蛋白的聚集,Nat Cell Biol,19,88988-995(2017)·doi:10.1038/ncb3577
[62] Waskom,ML,Seaborn:统计数据可视化,J Open Source Softw,6,60,3021(2021)·doi:10.21105/joss.03021
[63] 威格伯斯,MC;Brauns,F。;梁,CY;Frey,E.,概念极性模型中的流诱导对称性破缺,Cells,9,6,1524(2020)·doi:10.3390/cells9061524
[64] Wu,Y。;Han,B。;李毅。;蒙罗,E。;奥德,DJ;Griffin,EE,《秀丽隐杆线虫合子中稳定细胞质梯度的快速扩散状态转换》,《国家科学院学报》,115,36,E8440-E8449(2018)·doi:10.1073/美国国家统计局1722162115
[65] Yi,J。;吴,XS;Crities,T。;Hammer,JA,肌动蛋白逆行流动和肌动球蛋白II弧收缩驱动Jurkat T细胞免疫突触的受体簇动力学,分子生物学细胞,23,5,834-852(2012)·doi:10.1091/mbc.011-08-0731
[66] Zhang,Y。;Wang,W。;陈,J。;张凯。;高,F。;高,B。;张,S。;董,M。;贝森巴赫,F。;Gong,W.,《Par-3 N-末端结构域内在自组装的结构见解》,Structure,21,6,997-1006(2013)·doi:10.1016/j.str.2013.04.004
[67] 英国石油公司齐安巴;Falke,JJ,《外周膜蛋白在支撑脂质双层上的侧向扩散受(1)结合脂质和(2)蛋白结构域渗透到双层碳氢化合物核心的附加摩擦阻力控制》,《化学物理脂质》,172-173,67-77(2013)·doi:10.1016/j.chemphyslip.2013.04.005
[68] 兹穆尔乔克,C。;Holmes,WR,Simple Rho GTPase dynamics generature a complex regulation landscape with cell shape,生物物理学杂志,118,6,1438-1454(2020)·doi:10.1016/j.bpj..2020.01.035
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