Actin-based motility as a self-organized system: mechanism and reconstitution in vitro

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Abstract
Site-directed actin polymerisation in response to signalling is responsible for the formation of cell protrusions. These elementary ‘actin-based motility processes’ are involved in cell locomotion, cell metastasis, organ morphogenesis and microbial pathogenesis. We have reconstituted actin-based propulsive movement of particles of various sizes and geometries (rods, microspheres) in a minimum motility medium containing five pure proteins. The ATP-supported treadmilling of actin filaments, regulated by Actin Depolymerizing Factor (ADF/cofilin), profilin and capping proteins provides the thermodynamic basis for sustained actin-based movement. Local activation of Arp2/3 complex at the surface of the particle promotes autocatalytic barbed end branching of filaments, generating a polarized arborescent array. Barbed end growth of branched filaments against the surface generates a propulsive force and is eventually arrested by capping proteins. Understanding the mechanism of actin-based movement requires elucidation of the biochemical properties and mode of action of Arp2/3 complex in filament branching, in particular the role of ATP binding and hydrolysis in Arp2/3, and a physical analysis of the movement of functionalised particles. Because the functionalisation of the particle by an activator of Arp2/3 complex (N-WASP or the Listeria protein ActA) and the concentrations of effectors in the medium are controlled, the reconstituted motility assay allows an analysis of the mechanism of force production at the mesoscopic and molecular levels. To cite this article: M.-F. Carlier et al., C. R. Biologies 326 (2003). En réponse à la signalisation, la polymérisation spatialement dirigée de l'actine est responsable de la formation de protrusions cellulaires appelées lamellipodes ou filopodes. Ces processus motiles élémentaires sont impliqués dans la locomotion, la formation des métastases, la morphogenèse des organes et la pathogénicité microbienne. Nous avons reconstitué le mouvement, engendré par la polymérisation d'actine, de particules de taille et de géométrie variable (bâtonnets, microsphères) dans un milieu de motilité minimum contenant cinq protéines purifiées. Dans ce système motile biomimétique, l'ATP fournit la source d'énergie pour le renouvellement par treadmilling (tapis roulant) des filaments d'actine, régulé par l'Actin Depolymerizing Factor (ADF/cofiline), la profiline et les protéines de coiffe des extrémités barbées des filaments. L'activation du complexe Arp2/3 à la surface de microsphères fonctionnalisées conduit au branchement autocatalytique des filaments, générant ainsi un réseau arborescent polarisé. La croissance stationnaire des filaments par leur extrémité barbée engendre une force de propulsion. La compréhension du mécanisme du mouvement requiert une approche biochimique des propriétés du complexe Arp2/3, en particulier du rôle de la fixation et de l'hydrolyse de l'ATP sur Arp2/3 au cours du branchement des filaments, et l'analyse physique du mouvement des particules fonctionnalisées. La densité de surface de l'activateur de Arp2/3 (la protéine eucaryote N-WASP ou la protéine de Listeria ActA) et la concentration des effecteurs dans le milieu de motilité sont parfaitement contrôlées, ce qui permet l'analyse du mécanisme de production de force à l'échelle mésoscopique et moléculaire. Pour citer cet article : M.-F. Carlier et al., C. R. Biologies 326 (2003).