Forskare från Mechanobiology Institute, Singapore (MBI) vid National University of Singapore, rapportera att endocytos, som tidigare ansågs vara en slumpmässig process, faktiskt sker på ett koordinerat sätt genom kollektiv dynamik. Arbetet, leds av biträdande professor Wu Min, visade hur en viktig endocytisk väg förmedlad av proteinet clathrin, visade sig börja med periodiska resande vågor av clathrin, som kopplades temporärt och spatialt till nedströms kortikala aktinvågor. Clathrin endocytiska vågor identifierades här som uppströmsinitiatorn av kortikala aktinvågor. Detta arbete publicerades i Utvecklingscell den 20 november 2017.

"Fåglar av en fjäder flockas tillsammans" är ett gammalt ordspråk som använder naturens kollektiva dynamik för att beskriva grupperingstendenser hos levande varelser. Inte bara flockas fåglar tillsammans utan det gör också otaliga exempel genom livet, från det makroskopiska till det mikroskopiska, inklusive fiskstim, kolonier av bakterier, grupper av migrerande celler och även vissa proteiner. Kollektiv dynamik är därför ett naturligt fenomen som uppstår när dynamiken hos varje individ inom gruppen blir synkroniserad med varandra, ger en kollektiv visuell och funktionell effekt.

Inom celler, kollektiv dynamik hos cytoskelettproteinet aktin är välkänd. Aktin är ett filamentöst protein, som tillsammans med andra cytoskelettelement bildar ett dynamiskt nätverk av filament som ger både strukturellt stöd, såväl som kritiska funktionella egenskaper, till cellen. Den samordnade monteringen och demonteringen av aktin i cellbarken, som ligger precis under plasmamembranet, genererar kortikala aktinvågor som är avgörande för viktiga cellfunktioner inklusive migration och cellpolaritet.

Även om proteiner som deltar i bildandet av kortikala vågor har identifierats, de faktorer/processer som utlöser deras uppkomst, eller fastställa i vilka riktningar de kommer att spridas, var inte kända.

Klathrins roll i att initiera kortikala aktinvågor

Eftersom endocytiska proteiner som F-BAR har visat sig spela en roll i kortikala aktinvågor, forskarna försökte förstå sambandet mellan endocytos och kortikala aktinvågor. Endocytos är en grundläggande membranhandelsprocess genom vilken celler tar upp externa faktorer som proteiner och patogener. Det finns flera sätt för endocytos, varav Clathrin-Mediated Endocytosis (CME) är ett stort exempel. CME initieras av bindningen av en ligand till en receptor, följt av membraninvagination, beläggning av invaginationen av det triskelionformade proteinet clathrin, och knoppar av den klatrinbelagda vesikeln.

Med hjälp av känslig levande cellavbildning, teamet noterade att endocytiska vågor initierade av clathrin dyker upp i vissa cellpopulationer. Dessa clathrinvågor var temporärt relaterade till och koordinerade med nedströmsvågorna av F-BAR och andra aktinreglerande proteiner såsom Cdc42 och N-WASP. Forskarna observerade att för sådan samordning mellan de endocytiska och kortikala vågorna, en återkoppling mellan nedströms F-BAR/Cdc42/N-WASP och clathrin krävdes.

Feedbacken, som kopplar initieringen av endocytiska vågor av clathrin till kortikala aktinvågor är analogt med en grupp människor som går på en vinglig bro. När en individ kliver på bron, en liten rörelse av bron kommer att genereras. Denna rörelse kommer att öka när en annan person går i synk med den första. Den resulterande svajande rörelsen av bron tvingar andra på bron att gå synkront. Dock, när de väl är borta från bron, återkopplingskopplingen går förlorad och människor kan åter gå i sin egen takt.

En liknande situation kan tänkas för CME. Under normala förhållanden finns det ingen koordination mellan klatrinmontage och kortikala aktinvågor och därför uppstår CME som en slumpmässig process. Dock, endocytiska vågor kan initieras av klatrin genom en positiv återkopplingsmekanism mellan klatrin och nedströmsproteiner som inkluderar aktinreglerande proteiner såväl som membranproteiner såsom PIP3. Detta, i själva verket, ser clathrin reglera uppkomsten av kortikala aktinvågor.

Att hitta kopplingen mellan endocytos och kortikala aktinvågor

Denna studie rapporterar för första gången förekomsten av kollektiv dynamik av endocytos och visar hur detta reglerar uppkomsten av kortikala aktinvågor. Kopplingen mellan endocytos och generering av kortikala aktinvågor kan ge en djupare insikt i hur celler upprätthåller plasmamembranets sammansättning och dynamik.