Electrophysiology of the mammalian cytoskeleton

Abstract

The cell's cytoskeleton consists of a dynamic structure containing actin-based filaments (F-actin),tubulin-based microtubules (MTs) and intermediate filaments. While it is well-known for maintaining cell shape and providing mechanical support, these cytoskeletal elements also have important electrical properties that may play a crucial role in electrical signaling and information processing within the cell. F-actin and MTs possess a large uncompensated charge, which give rise to nonlinear electrical properties, explaining the high sensitivity of cells to electric fields both in vitro and in vivo. Remarkably, the polymers of the cytoskeleton enable the generation of ionic condensation-based waves in F-actin and exhibit behavior analogous to transistors in MTs. This review summarizes three decades of research from our laboratory, elucidating the fundamentals and methodologies of cytoskeletal electrophysiology. The electrophysiology of the cytoskeleton is an emerging field of study that investigates the electrical properties and behavior of the various elements of the cytoskeleton and their implications for various areas of biology and medicine. The electrical properties of the cytoskeleton contribute to a new paradigm of cell physiology. They might be implicated in cell signaling and regulation, and associated with the sensory properties of the cell.

El citoesqueleto celular es una estructura dinámica que incluye filamentos de actina (F-actina), microtúbulos (MTs) basados en dímeros de tubulina y filamentos intermedios. Si bien se le conoce principalmente por mantener la forma celular y proporcionar soporte mecánico, investigaciones recientes han revelado importantes propiedades eléctricas de los polímeros que componen el citoesqueleto, que podrían desempeñar un papel crucial en la señalización eléctrica y el procesamiento de información celular. Tanto los filamentos de F-actina como los MTs poseen una gran carga no compensada, lo que genera propiedades eléctricas no lineales, y explicaría la alta sensibilidad de las células a los campos eléctricos tanto in vitro como in vivo. En particular, estos polímeros generan propiedades que permiten la generación de ondas iónicas basadas en condensación iónica en la F-actina, y un comportamiento similar al de un transistor en los MTs. Esta revisión resume tres décadas de investigación realizada en nuestro laboratorio, con el objetivo de dilucidar los fundamentos y las metodologías para el estudio de la electrofisiología del citoesqueleto, un campo de estudio emergente que investiga las propiedades eléctricas y el comportamiento de los diversos elementos del citoesqueleto y sus implicaciones en diversas áreas de la biología y la medicina. Las propiedades eléctricas del citoesqueleto contribuyen a un nuevo paradigma de la fisiología celular. Estarían implicadas en la señalización y regulación celulares y asociadas a sus propiedades sensoriales.