Микротрубочки - это динамические полимеры тубулина, которые выполняют множество важных функций на протяжении всего жизненного цикла эукариотической клетки. Микротрубочки проявляют способность резко удлиняться и укорачиваться на несколько микрометров. Этот процесс очень чувствителен к температуре: микротрубочки полимеризуются при температурах выше комнатной и деполимеризуются при температуре ниже 20 градусов по Цельсию (при физиологической концентрации тубулина). Воздействие температуры на стабильность микротрубочек изучено недостаточно, однако ее влияние используется в клеточной биологии как способ быстрого определения стабильности микротрубочек посредством охлаждения клеток. Недавно наша лаборатория разработала вычислительную модель, описывающую динамику микротрубочек, используя комбинированный подход броуновской динамики и Монте-Карло (Gudimchuk et al., Nat. Commun. 2020). Эта модель позволила описать структуры концов микротрубочек и прояснить механизмы генерации микротрубочками толкающих и тянущих сил. В настоящей работе мы расширяем нашу модель, чтобы описать чувствительность сборки и разборки микротрубочек к температуре. Температура играет сложную роль в поведении молекул. Мы рассматриваем общую задачу перехода частиц через энергетический барьер, чтобы учесть влияние температуры на вероятность присоединения тубулина к концу микротрубочки. Используя полученную аналитическую зависимость при моделировании сборки микротрубочки можно избежать необходимости учитывать все молекулы тубулинов, плавающих в растворе, сконцентрировавшись на описании взаимодействия мономеров тубулина внутри микротрубочки. Эти взаимодействия в рамках нашей модели представлены тремя типами энергетических функций: латеральный потенциал, потенциал продольной связи между тубулинами и потенциал изгиба. Предложенный нами метод позволяет учитывать поведение молекул тубулина в зависимости от температуры вне микротрубочки (неявно), а также температурную зависимость динамики тубулинов внутри решетки микротрубочки (явно). С помощью созданной модели, мы проанализировали процесс перехода микротрубочки от сборки к разборке и сформулировали два основных гипотетических механизма потери стабильности микротрубочки при охлаждении. Совокупно, наш анализ дает оценку активационных барьеров между тубулинами и проливает новый свет на старую проблему термостабильности тубулинового цитоскелета.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 21-74-20035.

Литературные источники:

Gudimchuk, N.B., Ulyanov, E.V., O’Toole, E., Page, C.L., Vinogradov, D.S., Morgan, G., Li, G., Moore, J.K., Szczesna, E., Roll-Mecak, A., Ataullakhanov, F.I., Richard McIntosh, J., 2020. Mechanisms of microtubule dynamics and force generation examined with computational modeling and electron cryotomography. Nat. Commun. 11, 3765, DOI: 10.1038/s41467-020-17553-2

Microtubules are dynamic tubulin polymers, which perform numerous critical functions throughout the life cycle of every eukaryotic cell. Microtubules exhibit a remarkable ability to elongate and shorten for several micrometers with abrupt switches between the phases of assembly and disassembly. This process is highly sensitive to temperature: microtubules are easily depolymerized when they are cooled below the temperatures of about 20 degrees Celsius (at physiological tubulin concentration). The effects of temperature on microtubule stability is poorly understood, but it is exploited in cell biology as a way to quickly probe microtubule stability by subjecting cells to cooling. Recently, our laboratory has developed a computational model, describing microtubule dynamics, using a combined Brownian dynamics and Monte-Carlo approach (Gudimchuk et al., Nat. Commun. 2020). This model has provided accurate descriptions of microtubule tip structures during assembly and disassembly, and it brought new insights into the mechanisms of generation of pushing and pulling forces by dynamic microtubules. Here we extend the model to describe the sensitivity of microtubule assembly and disassembly to temperature. Temperature plays a complex role in the dynamics of molecules. We consider the general problem of the transition of particles through the energy barrier in order to take into account the temperature effect on the probability of tubulin attachment to the end of the microtubule. Applying the obtained analytical dependence, when modeling the assembly of a microtubule, it is possible to avoid excplicit consideration of all the tubulin molecules floating in solution. Thus, we concentrate on describing the interaction of tubulin monomers inside the microtubule. These interactions in our model are represented by three types of energy functions: the lateral potential, the potential of the longitudinal connection between tubulins and the bending potential. The proposed method allows us to consider the temperature dependence of the dynamics of tubulin molecules outside the microtubule (implicitly), as well as inside the microtubule lattice (explicitly). Applying the created model, we analyzed the process of microtubule transition from assembly to disassembly and formulated two main hypothetical mechanisms of microtubule stability loss during cooling. Collectively, our analysis provides estimates of activation barriers of tubulin-tubulin bonds and it sheds new light onto the old problem of the thermostability of tubulin cytoskeleton.

The work was carried out with the support of the RSF grant No. 21-74-20035.

References:

Gudimchuk, N.B., Ulyanov, E.V., O’Toole, E., Page, C.L., Vinogradov, D.S., Morgan, G., Li, G., Moore, J.K., Szczesna, E., Roll-Mecak, A., Ataullakhanov, F.I., Richard McIntosh, J., 2020. Mechanisms of microtubule dynamics and force generation examined with computational modeling and electron cryotomography. Nat. Commun. 11, 3765, DOI: 10.1038/s41467-020-17553-2