On the length dynamics of active polar filaments

Abstract

The cytoskeleton is the ensemble of linear protein chains and a number of regulatory molecules in living cells. Together, they form a highly active physical network that provides mechanical stability to the cell and is involved in a number of vital processes such as cell locomotion, intracellular transport, and cell division. The length of the filaments is a key parameter for the proper functioning of the cytoskeleton and must therefore be tightly regulated by the cell.

In this work, different models for the length dynamics of active polar filaments are investigated and quantified. Such filaments are able to treadmill, that is, to accumulate subunits at one end and loose them at the other. It is shown that the same properties that lead to treadmilling provide a means to regulate filament length. Length regulation becomes much more efficient when the action of filament destabilizing molecular motors is considered. The analysis of a driven lattice gas model predicts robust length control in a large range of parameters. Finally, the turnover dynamics of the actin cortex, a thin polymer shell underneath the eukaryotic cell membrane, is investigated theoretically and results are compared to experimental findings.

The presented analysis shows that filament length control is possible under diverse biological conditions. The underlying mechanisms provide insights into the turnover dynamics of the cell's actin cortex.

Das Zytoskelett lebender Zellen besteht aus linearen Proteinketten und einer Vielzahl an regulierenden Molekülen. Zusammen bilden sie ein äußerst dynamisches Netzwerk, das der Zelle mechanische Stabilität verleiht und an vielen vitalen Prozessen wie der Zellbewegung, dem intrazellulären Transport und der Zellteilung beteiligt ist. Um das Funktionieren des Zytoskeletts sicher zu stellen, muss die Zelle insbesondere die Länge der Filamente regulieren.

In dieser Arbeit werden verschiedene Modelle für die Längendynamik aktiver polarer Filamente untersucht und quantifiziert. Solche Filamente können eine Laufbanddynamik zeigen, d.h. Untereinheiten an einem Ende anlagern und am anderen verlieren. Es wird gezeigt, dass die gleichen Eigenschaften, die zur Laufbanddynamik führen, zur Regulation der Filamentlänge genutzt werden können. Längenregulation wird effizienter, wenn destabilisierende molekulare Motoren hinzu treten. Die Analyse eines angetriebenen Gittergasmodells zeigt eine robuste Längenregulation für einen breiten Parameterbereich. Anschließend wird die Dynamik im Aktinkortex, einer dünnen Polymerschicht unter der eukaryotischen Zellmembran, untersucht und die Ergebnisse mit experimentellen Befunden verglichen.

Die vorliegende Studie zeigt, dass die Kontrolle der Filamentlänge unter unterschiedlichen biologischen Bedingungen zu finden ist. Die zugrunde liegenden Vorgänge erlauben Einblicke in die Dynamik des Aktinkortex der Zelle.