Random walk models for intracellular transport : the role of inhomogeneity and anisotropy

Abstract

Intracellular transport is an intricate interplay between the cytoskeleton, the motor proteins, and the cargo. The cytoskeleton exhibits a complex spatial organization which is generally inhomogeneous and anisotropic. Microtubules radiate from the cell center, whereas actin filaments randomly populate the cortex. Several motors of diverse species attach to a single cargo and carry it along the cytoskeleton. Thereby, cargoes exhibit stochastic transitions between phases of directed motion and reorienting arrest states at filament crossings. How this interplay effects anomalous diffusion and the efficiency of targeted transport is elusive. Coarse grained random walk models provide a powerful tool to approach transport processes inside cells. But so far, the impact of the cytoskeleton architecture, the motor activity, and the transient arrest states of the cargo are considered separately in the literature. Here, we present unified random walk models which incorporate the three key components of intracellular transport and enable us to elucidate how their interplay effects anomalous diffusion and first passage events. With the aid of analytic considerations and extensive Monte Carlo simulations, we show that transient crossovers in anomalous diffusion arise and that the efficiency of various intracellular transport tasks is substantially increased by the inhomogeneity and anisotropy of the cytoskeleton.

Intrazellulärer Transport ist ein komplexes Zusammenspiel zwischen Zytoskelett, Motorproteinen und Cargo. Das Zytoskelett ist räumlich stark inhomogen und anisotrop. Während Mikrotubuli ein radiales Netzwerk mit Zentrum im Zellinneren bilden, sind Aktinfilament mit willkürlicher Anordnung auf den Kortex beschränkt. Verschiedene Motorproteine binden an ein Cargoteilchen und transportieren es entlang des Zytoskeletts. Dabei erfährt das Teilchen stochastische Übergänge zwischen Phasen gerichteten Transports und Phasen des Stillstands. Wie dieses Zusammenspiel die Diffusion und die Effizienz des Transports beeinflusst ist unklar. Random Walk Modelle bilden einen theoretischen Zugang zu Transportprozessen in Zellen. Allerdings wurde der Einfluss des Zytoskeletts, der Motorproteine und der Arrestzustände in der Literatur bisher nur separat behandelt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Random Walk Modelle behandelt, die das Zusammenspiel der drei Schlüsselkomponenten intrazellulären Transports berücksichtigen. Mittels dieser kann der Einfluss dieses Zusammenspiels auf anomale Diffusion und First Passage Events systematisch untersucht werden. Analytische Berechnungen und Monte Carlo Simulationen prognostizieren das Aufkommen transienter anomaler Diffusion und zeigen, dass die Effizienz verschiedener Transportprozesse durch die Inhomogenität und die Anisotropie des Zytoskeletts erhöht wird.