세포골격 시스템을 시뮬레이션하기 위한 일반적인 워크플로우

요약

이 프로토콜은 오픈 소스 세포골격 시뮬레이션인 Cytosim을 사용하여 분자 모터와 수동 교차결합체로 연결된 필라멘트 네트워크의 동작을 조사하는 방법을 보여줍니다. 단계별 지침이 포함된 일반적인 워크플로우를 따라 가교제의 수를 변경하고 그에 따른 네트워크 수축성을 플롯합니다.

초록

많은 세포골격 시스템은 이제 정확한 정량적 모델링이 가능할 만큼 충분히 잘 알려져 있습니다. 미세소관 및 액틴 필라멘트는 잘 특성화되어 있으며, 관련 단백질뿐만 아니라 그 풍부함 및 이러한 요소 간의 상호 작용이 잘 알려져 있습니다. 따라서 컴퓨터 시뮬레이션은 실험을 보완하는 방식으로 시스템의 집단 행동을 정확하게 조사하는 데 사용할 수 있습니다. Cytosim은 분자 모터와 같은 관련 단백질이 있는 유연한 필라멘트의 대규모 시스템을 처리하도록 설계된 오픈 소스 세포골격 시뮬레이션 제품군입니다. 또한 수동 가교제, 확산성 가교제, 핵기, 절단기 및 필라멘트의 비어 있는 격자 부위만 밟는 모터의 개별 버전을 시뮬레이션할 수 있는 가능성을 제공합니다. 다른 물체는 세포의 염색체, 핵 또는 소포를 나타내는 데 사용할 수 있는 구형 또는 더 복잡한 기하학을 제공하여 필라멘트를 보완합니다.

Cytosim은 시뮬레이션을 실행하고 결과를 표시하기 위한 간단한 명령줄 도구를 제공하며, 이는 다재다능하고 프로그래밍 기술이 필요하지 않습니다. 이 워크플로우에서는 i) 새 컴퓨터에 필요한 환경을 설치하고, ii) 2D 액토마이오신 네트워크의 수축을 시뮬레이션하도록 Cytosim을 구성하고, iii) 시스템의 시각적 표현을 생성하기 위한 단계별 지침이 제공됩니다. 다음으로, 시스템은 핵심 매개변수인 가교제의 수를 체계적으로 변화시켜 조사합니다. 마지막으로, 시스템의 시각적 표현은 수축성이 시스템의 구성에 따라 어떻게 달라지는지 그래프에서 볼 수 있도록 수축성의 수치화로 보완됩니다. 전반적으로, 이러한 다양한 단계는 세포골격 분야의 다른 많은 문제를 해결하기 위해 약간의 수정으로 적용할 수 있는 일반적인 워크플로우를 구성합니다.

서론

세포골격은 세포 내의 필라멘트와 분자 모터와 같은 관련 분자로 구성되며, 이는 종종 놀라운 기계적 특성을 가진 역동적인 그물망을 구성합니다. 세포골격은 거의 모든 생명체에 걸쳐 다양한 세포 유형에서 다양한 구성으로 존재합니다. 그것의 올바른 기능은 분열, 운동성 및 분극과 같은 기본적인 세포 과정에 필수적입니다. 또한 세포 간의 기계적 상호 작용을 제어하여 조직과 유기체의 형태 형성에 영향을 미칩니다. 세포골격은 여러 기능의 기초가 되며 많은 생물학적 과정에서 나타납니다. 예를 들어, 근육의 수축은 액틴 필라멘트에 있는 미오신 분자 모터의 파워 스트로크와 관련이 있습니다. 또 다른 예는 뉴런의 유지인데, 이는 뉴런의 축삭돌기 내부에 위치한 미세소관을 따라 키네신 모터의 움직임에 의존합니다. 액틴(Actin)과 미세소관(microtubules)은 세포골격 필라멘트의 두 가지 뛰어난 유형이며, 이들이 없으면 우리가 알고 있는 생명체는 불가능할 것입니다.

세포골격은 본질적으로 생체역학적 시스템이며, 화학적 성질로만 환원될 수 없습니다. 미세소관 또는 액틴 필라멘트는 수천 개의 단량체로 만들어지며 수 마이크로미터에 걸쳐 확장됩니다. 공간에서 이러한 필라멘트의 형태와 원형질막, 핵 또는 기타....

프로토콜

참고: 프로토콜은 다음 단계로 구성됩니다: Windows 10, MacOS 및 Linux에 대한 플랫폼 준비; Cytosim의 설치; 시뮬레이션 및 테스트 실행 및 그래픽 디스플레이의 구성; 여러 번의 실행, 다양한 매개 변수 : 네트워크의 가교 자 수; 수축성이 crosslinkers의 수에 의해 어떻게 영향을 받는지를 보기 위해 그래프를 생성하는 단계; 병렬 실행; 및 무작위 샘플링. ">" 다음에 오는 모든 텍스트는 터미널 창에 그대로 입력해야 하는 명령입니다. ">"는 터미널 프롬프트를 나타내며 포함되어서는 안 되지만 다른 모든 문자는 중요합니다.

1. 플랫폼 준비

참고: OS(MacOS, Windows 10 또는 Linux)에 따라 1.1단계, 1.2단계 또는 1.3단계를 수행합니다.

1. 준비(MacOS)
   1. 터미널(Applications/Utilities)을 열어 Xcode 명령줄 도구를 설치하고 다음을 입력합니다.
      gt; xcode-select --install
   2. Cytosim의 코드를 보거나 편집하려면 Apple App Store(https://apps.apple.....

결과

섹션 2에서 "make"를 사용하여 Cytosim을 성공적으로 컴파일하면 "bin" 하위 디렉토리에 sim, play 및 report가 생성되어야 합니다. 2.3단계("sim info")의 출력에는 무엇보다도 "Dimension: 2"가 표시되어야 합니다. 섹션 3에서 구성 파일은 보조 파일 1로 제공되는 jove.cym과 유사해야 합니다. 섹션 4에서, 시뮬레이션에서 4.8단계에서 얻은 마법사는 그림 2에 표시된 것과 유사해야 합니다. 4.9단계에서 얻은 HTML 요약 페이지는 그림 3에 나와 있습니다. 섹션 5와 섹션 6에서 예상 플롯은 그림 4에 나와 있습니다. 섹션 7의 경우 대표 플롯이 그림 5에 나와 있습니다.

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토론

이 기사에서 설명하는 방법은 설명된 프로토콜 전체에서 다양한 방식으로 사용된 세 개의 작고 독립적인 Python 프로그램에 의존합니다. 첫 번째 스크립트 사전 구성은 사용자 정의 Python 스크립트 작성의 필요성을 대체할 수 있는 다목적 도구입니다²⁷. 단일 템플릿 파일에서 여러 구성 파일을 생성하는 데 사용되며, 어떤 매개 변수를 변경해야 하고 어떻게 변경해야 하는지 지정합니다. 여러 매개변수를 변경하려면 템플릿 파일에 더 많은 코드 조각을 추가하기만 하면 preconfig 가 가능한 모든 조합을 생성합니다. 템플릿 메서드의 한 가지 장점은 변형에 대한 모든 정보(매개 변수가 다양하고 어떻게 변경되는지)가 최소한의 코드로 단일 파일에 포함된다는 것입니다. 스크립트 "scan.py"도 다재다능하며 하위 디렉토리로 명령을 실행하는 데 사용됩니다. 마지막으로 "make_page.py"는 여러 시뮬레이션의 결과를 나란히 볼 수 있는 HTML 페이지를 생성합니.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
개인용 컴퓨터			MacOS, Windows 10 또는 Linux
config.cym.tpl			템플릿 구성 파일,
Python 스크립트	make_page.py https://gitlab.com/f-nedelec/cytosim.git
jove.cym			Cytosim 구성 파일
사전 구성			파이썬 스크립트;
https://github.com/nedelec/preconfig scan.py			Python 스크립트, https://github.com/nedelec/scan.py

, https://github.com/nedelec/make_page.py