Self-organization principles of intracellular pattern formation.
Self-organization principles of intracellular pattern formation.
复制标题
DOI：
10.1098/rstb.2017.0107
复制
发表时间：
2018-05-26
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Frey E
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Halatek J;Brauns F;Frey E
在原核生物、真核生物和多细胞生物中，特定蛋白质的动态模式化对于许多重要的细胞内过程的时空调控是必不可少的。扩散蛋白相互作用产生的模式的出现是自组织的一个典型例子。在这篇文章中，我们回顾了大肠杆菌，Cdc42极化在酿酒酵母和双极PAR蛋白质模式中发现的秀丽隐杆线虫细胞内Min蛋白质模式的定量模型。通过分析驱动这些系统的分子过程，我们得出了自组织模式形成的一般原则的理论观点。我们认为，细胞内模式的形成是不捕获的概念，如“激活剂”，“抑制剂”或“底物耗尽”。相反，细胞内模式的形成是基于蛋白质通过胞质扩散的再分布，以及蛋白质在不同构象状态之间的循环。因此，质量守恒的反应扩散方程提供了最合适的框架来研究细胞内模式的形成。我们的结论是，定向运输，例如胞质扩散沿着积极维持胞质梯度，是关键的过程模式形成的基础。因此，自组织的基本原理是通过细胞内蛋白质动力学建立和维持定向运输。本文是“细胞生物学中的自组织”主题的一部分。
Dynamic patterning of specific proteins is essential for the spatio-temporal regulation of many important intracellular processes in prokaryotes, eukaryotes and multicellular organisms. The emergence of patterns generated by interactions of diffusing proteins is a paradigmatic example for self-organization. In this article, we review quantitative models for intracellular Min protein patterns in Escherichia coli, Cdc42 polarization in Saccharomyces cerevisiae and the bipolar PAR protein patterns found in Caenorhabditis elegans. By analysing the molecular processes driving these systems we derive a theoretical perspective on general principles underlying self-organized pattern formation. We argue that intracellular pattern formation is not captured by concepts such as ‘activators’, ‘inhibitors’ or ‘substrate depletion’. Instead, intracellular pattern formation is based on the redistribution of proteins by cytosolic diffusion, and the cycling of proteins between distinct conformational states. Therefore, mass-conserving reaction–diffusion equations provide the most appropriate framework to study intracellular pattern formation. We conclude that directed transport, e.g. cytosolic diffusion along an actively maintained cytosolic gradient, is the key process underlying pattern formation. Thus the basic principle of self-organization is the establishment and maintenance of directed transport by intracellular protein dynamics. This article is part of the theme issue ‘Self-organization in cell biology’.
登录
查看更多内容
影响因子：
64.5
作者：
CHANT, J;HERSKOWITZ, I
通讯作者：
HERSKOWITZ, I
DOI：
10.1073/pnas.0911708107
发表时间：
2010-04-06
影响因子：
11.1
作者：
Fischer-Friedrich, Elisabeth;Meacci, Giovanni;Kruse, Karsten
通讯作者：
Kruse, Karsten
DOI：
10.1073/pnas.182370299
发表时间：
2002-09-17
影响因子：
11.1
作者：
Caviston, JP;Tcheperegine, SE;Bi, E
通讯作者：
Bi, E
影响因子：
9.8
作者：
Bendezú FO;Vincenzetti V;Vavylonis D;Wyss R;Vogel H;Martin SG
通讯作者：
Martin SG
DOI：
10.1126/science.1218377
发表时间：
2012-07-13
期刊：
Science (New York, N.Y.)
影响因子：
--
作者：
Das M;Drake T;Wiley DJ;Buchwald P;Vavylonis D;Verde F
通讯作者：
Verde F