pHとイオン電荷の変化による中間フィラメント力学のチューニング

Tuning intermediate filament mechanics by variation of pH and ion charges.

• Anna V Schepers
• Charlotta Lorenz
• Sarah Köster

抄録

細胞骨格は、微小管、アクチンフィラメント、中間フィラメント（IF）の3種類の糸状タンパク質によって形成され、細胞が外力や内力に耐えることができるようになっています。ビメンチンはヒトに最も多く存在するIFタンパク質であり、直径10nmのフィラメントに集合し、高い伸展性や安定性などの機械的性質を持つ。しかし、これらの特性が静電環境の影響をどの程度受けるかは不明である。ここでは、光トラッピングとマイクロ流体力学を組み合わせた手法を用いて、単一ビメンチンフィラメントの機械的性質を研究しています。イオン濃度とpH値を変化させたときの力-ひずみ曲線を記録したところ、単一ビメンチンIFの機械的特性はpHとイオン濃度の影響を受けていることが明らかになった。モンテカルロシミュレーションと組み合わせることで、これらの変化した力学を、フィラメント内のサブユニットの静電的相互作用と関連付けることができた。このようにして、細胞骨格全体を改造することなく、細胞が局所的に剛性を調整することができるメカニズムを示唆している。

The cytoskeleton is formed by three types of filamentous proteins - microtubules, actin filaments, and intermediate filaments (IFs) - and enables cells to withstand external and internal forces. Vimentin is the most abundant IF protein in humans and assembles into 10 nm diameter filaments with remarkable mechanical properties, such as high extensibility and stability. It is, however, unclear to which extent these properties are influenced by the electrostatic environment. Here, we study the mechanical properties of single vimentin filaments by employing optical trapping combined with microfluidics. Force-strain curves, recorded at varying ion concentrations and pH values, reveal that the mechanical properties of single vimentin IFs are influenced by pH and ion concentration. By combination with Monte Carlo simulations, we relate these altered mechanics to electrostatic interactions of subunits within the filaments. We thus suggest possible mechanisms that allow cells to locally tune their stiffness without remodeling the entire cytoskeleton.