Neuronal messenger ribonucleoprotein transport follows an aging Lévy walk

Authors : Minho S. Song, Hyungseok C Moon, Jae-Hyung Jeon, and Hye Yoon Park
Messenger ribonucleoprotein(mRNP)의 국소화는 장기적인 기억 형성과 신경계 발달에 필요한 유전자 발현 조절에 필수적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 박혜윤 교수팀은 신경세포에서의 mRNP 수송이 Lévy walk 모델로 설명될 수 있음을 실험적, 이론적 증거를 통해 밝혀내었다. 신경세포 내에서 mRNP들은 마이크로튜뷸을 따라 움직이는 motor protein에 의해 수송되며, 타겟 시냅스에 도달했을 때 일정 시간 국소화된 후, 다시 다른 곳으로 수송되는 과정을 반복하게 된다. 이에 따라 mRNP의 움직임은 일시적인 superdiffusion 현상을 보이게 되는데, 이번 논문에서 제시된 일반적 Lévy walk 모델을 사용하면, 이러한 현상을 정량적으로 정확하게 설명할 수 있다. 본 연구는 앞으로 mRNP들이 어떻게 특정 타겟 시냅스를 찾아 국소화 되는지 그 기작을 설명하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

Localization of messenger ribonucleoproteins (mRNPs) plays an essential role in the regulation of gene expression for long-term memory formation and neuronal development. Knowledge concerning the nature of neuronal mRNP transport is thus crucial for understanding how mRNPs are delivered to their target synapses. Here, we report experimental and theoretical evidence that the active transport dynamics of neuronal mRNPs, which is distinct from the previously reported motor-driven transport, follows an aging Lévy walk. Such nonergodic, transient superdiffusion occurs because of two competing dynamic phases: the motor-involved ballistic run and static localization of mRNPs. Our proposed Lévy walk model reproduces the experimentally extracted key dynamic characteristics of mRNPs with quantitative accuracy. Moreover, the aging status of mRNP particles in an experiment is inferred from the model. This study provides a predictive theoretical model for neuronal mRNP transport and offers insight into the active target search mechanism of mRNP particles in vivo.

https://www.nature.com/articles/s41598-017-18569-3