Dynamik af mikrotubuli

Filamentøse polymerer kaldet mikrotubuli spiller vitale roller i kromosomsegregation og molekylær transport. Et LMU -team har nu undersøgt, hvordan mikrotubulelængder varierer som reaktion på ændringer i tilgængeligheden af ​​deres proteinkomponenter.

Celler besidder et indre skelet, som gør dem i stand til at ændre deres form og aktivt migrere. Dette cytoskelet består af en række filamentsystemer, hvoraf mikrotubuli er en. Cylindriske mikrotubuli har vægge bestående af 13 protofilamenter, hver bestående af heterodimere underenheder indeholdende to beslægtede tubulinproteiner. Mikrotubuli giver ikke kun mekanisk stabilitet til celler og dikterer deres former, de fungerer også som et intracellulært transportnetværk. Desuden, mikrotubuli er de vigtigste bestanddele i den mitotiske spindel, som medierer den ordnede adskillelse af de replikerede kromosomsæt i de to datterceller under celledeling. Alle disse funktioner kræver dynamisk regulering af mikrotubulelængder. En gruppe LMU -fysikere ledet af professor Erwin Frey, i samarbejde med professor Stefan Diez (Technical University of Dresden og Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden), har nu udviklet en model, hvor de motorproteiner, der er ansvarlige for transport af gods langs protofilamenter, også tjener til at regulere mikrotubulelængder. Modellen beskrives og valideres eksperimentelt i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

I tidligere arbejde, Freys gruppe havde vist, at tætheden af ​​molekylære motorer, der er knyttet til filamenterne, har indflydelse på, om mikrotubuli vokser eller krymper, og at deres virkning afhænger af længden af ​​det pågældende filament. Jo længere mikrotubuli, jo større antal motorproteiner den kan rumme. Motormolekyler kaldet kinesiner fortsætter langs protofilamentet, at gå fra den ene dimer til den næste. Når et kinesinprotein når enden, det løsner sig fra filamentet og tager tubulinet, som det er bundet til. Følgelig, hvis motortætheden på protofilamentet er høj, svind vil fortsætte. På den anden side, en ny tubulin dimer kan binde til enden. I slutningen, motorafhængig svind konkurrerer således med mikrotubulivækst. "Derfor, forudsat at ressourcer (dvs. både tubuliner og molekylære motorer) er til stede i adgang, der vil være en filamentlængde, hvor væksthastigheden og krympningen balancerer, "siger Matthias Rank, første forfatter til undersøgelsen. Imidlertid, i en rigtig celle, disse komponenter vil sandsynligvis ikke være tilgængelige i ubegrænsede mængder. For eksempel, dannelse af den mitotiske spindel nedbryder betydeligt antallet af frie tubulinmolekyler i den opløselige fase af cytoplasmaet. I den nye undersøgelse, forskerne undersøgte virkningerne af en sådan ressourcebegrænsning på reguleringen af ​​mikrotubulelængden.

Ved hjælp af simuleringer baseret på en matematisk model af polymerdynamik, de fandt ud af, at under disse betingelser spiller to forskellige mekanismer for længderegulering ind. Hvilken af ​​disse bliver dominerende afhænger af de relative koncentrationer af tubulinerne og motorproteinerne:I et bestemt koncentrationsinterval fungerer den dynamiske ligevægt mellem vækst og krympning af mikrotubuli, som det ville gøre, hvis ressourcer ikke var begrænsende. "Men tingene er anderledes, når der mangler en af ​​de nødvendige ressourcer", siger Rank. "Det er tilfældet, for eksempel, når der ikke er nok motormolekyler til rådighed til at udløse hurtig depolymerisering af protofilamenterne. "I denne situation, mikrotubuli fortsætter med at vokse, indtil koncentrationen af ​​tubuliner falder under en kritisk værdi. Desuden, der er et koncentrationsinterval, hvor begge processer er aktive. "I dette tilfælde, vi observerer, at mikrotubuli kommer i to størrelser, og at de nogle gange skifter mellem de to længder ", siger Frey. "Rent fysisk, dette kan beskrives som en faseovergang. "In vitro-eksperimenter udført af deres medforfatter i Dresden har bekræftet eksistensen af ​​dette overgangsregime, der forudsiges af München-modellen. Teamet er overbevist om, at deres resultater også kan anvendes på andre polymersystemer , og de formoder, at begrænsningen af ​​nøgleressourcer kan spille en vigtig rolle i reguleringen af ​​andre cellulære processer.