Generation of ciliary beating by steady dynein activity: the effects of inter-filament coupling in multi-filament models
Generation of ciliary beating by steady dynein activity: the effects of inter-filament coupling in multi-filament models
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通过稳定的动力蛋白活性产生纤毛跳动：多丝模型中丝间耦合的影响
DOI：
10.1098/rsif.2022.0264
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发表时间：
2022
影响因子：
3.9
通讯作者：
Bayly, Philip V.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Woodhams, Louis G.;Shen, Yenan;Bayly, Philip V.
运动纤毛和鞭毛中轴丝的结构通过高分辨率成像越来越详细地显现出来，但轴丝产生振荡、推进运动的机制仍然是个谜。最近有人提出，这种运动可能是由稳定动力蛋白负载下发生的动态“颤动”不稳定性引起的，而不是由动力蛋白运动活动的切换或调制（如通常假设的那样）引起的。在当前的工作中，我们建立了改进的轴丝多丝数学模型，并使用有限元方法将其实现为离散方程组。该模型的特征值和特征向量预测在缺乏动力蛋白调节的情况下振荡、波状解决方案的出现，并指定相关的跳动频率和波形。使用该模型的时域模拟说明了系统特征值预测的行为。该模型和分析使我们能够有效地探索难以测量的生物物理参数（例如径向辐条的弹性和双峰间链接）对纤毛波形的潜在影响。这些结果支持这样的观点：没有动态动力蛋白调节的动态不稳定性是产生纤毛跳动的合理且稳健的机制。
The structure of the axoneme in motile cilia and flagella is emerging with increasing detail from high-resolution imaging, but the mechanism by which the axoneme creates oscillatory, propulsive motion remains mysterious. It has recently been proposed that this motion may be caused by a dynamic ‘flutter’ instability that can occur under steady dynein loading, and not by switching or modulation of dynein motor activity (as commonly assumed). In the current work, we have built an improved multi-filament mathematical model of the axoneme and implemented it as a system of discrete equations using the finite-element method. The eigenvalues and eigenvectors of this model predict the emergence of oscillatory, wave-like solutions in the absence of dynein regulation and specify the associated frequencies and waveforms of beating. Time-domain simulations with this model illustrate the behaviour predicted by the system's eigenvalues. This model and analysis allow us to efficiently explore the potential effects of difficult to measure biophysical parameters, such as elasticity of radial spokes and inter-doublet links, on the ciliary waveform. These results support the idea that dynamic instability without dynamic dynein regulation is a plausible and robust mechanism for generating ciliary beating.
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