A hierarchy of protein patterns robustly decodes cell shape information
A hierarchy of protein patterns robustly decodes cell shape information
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蛋白质模式的层次结构可以稳健地解码细胞形状信息
DOI：
10.1038/s41567-021-01164-9
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
19.6
通讯作者：
Fakhri
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Wigbers;Brauns;Swartz;Fakhri
许多细胞过程，如细胞分裂、细胞运动、伤口愈合和组织折叠，都依赖于蛋白质在膜上的精确定位。这种蛋白质模式来自蛋白质相互作用、转运、构象状态变化和分子水平的化学反应的组合。最近的实验和理论工作清楚地表明了几何形状的作用，包括膜曲率，和本地cytosolic膜比，和平流皮质流在调制膜蛋白模式。然而，目前还不清楚这些蛋白质如何实现强大的时空组织的膜上的动态细胞形状的变化过程中参与的生理过程。在这里，我们使用的海星Patiria miniataas模型系统的卵母细胞来阐明一个形状适应机制，强大的控制时空蛋白质动态的膜上，尽管细胞形状变形。通过结合实验与生物物理学理论，我们展示了如何细胞形状的信息包含在一个胞质梯度可以解码的Rho酶，这是与收缩性的一个α调节器。这反过来又控制机械化学反应，局部触发兴奋动力学的Rho。我们认为，这种基于蛋白质模式层次结构的形状适应机制可能构成细胞形状感知和控制的一般物理原理。
Many cellular processes, such as cell division, –, cell motility, wound healing and tissue folding,, rely on the precise positioning of proteins on the membrane. Such protein patterns emerge from a combination of protein interactions, transport, conformational state changes and chemical reactions at the molecular level. Recent experimental and theoretical work clearly demonstrates the role of geometry, including membrane curvature, –and local cytosolic-to-membrane ratios,, and advective cortical flow in modulating membrane protein patterns. However, it remains unclear how these proteins achieve robust spatiotemporal organization on the membrane during the dynamic cell shape changes involved in physiological processes. Here we use oocytes of the starfishPatiria miniataas a model system to elucidate a shape-adaptation mechanism that robustly controls spatiotemporal protein dynamics on the membrane in spite of cell shape deformations. By combining experiments with biophysical theory, we show how cell shape information contained in a cytosolic gradient can be decoded by a bistable regulator of the enzyme Rho, which is associated with contractility. This bistable front in turn controls a mechanochemical response by locally triggering excitable dynamics of Rho. We posit that such a shape-adaptation mechanism based on a hierarchy of protein patterns may constitute a general physical principle for cell shape sensing and control.
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J. Curtiss;M. Mlodzik
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Frey E