VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г. |
Программа СъездаСекции и тезисы:
Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных системНовые теоретические и экспериментальные данные о механизмах катастроф и спасений тубулиновых микротрубочекВ.В. Александрова1,2, М.Н. Анисимов1,2, Н.Б. Гудимчук1,2* 1.МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия; 2.Центр теоретических проблем физико-химической фармакологии РАН, Москва, Россия; * nikita_gb(at)mail.ru Микротрубочки являются важными полимерами белка тубулина, которые демонстрируют циклы удлинения и укорочения во всех эукариотических клетках. Стохастические переключения микротрубочек между фазами удлинения и укорочения называются катастрофами и спасениями. Эти переключения тонко регулируются в клетках на протяжении всего их жизненного цикла. Например, во время клеточного деления частота катастроф микротрубочек существенно увеличивается, а частота спасений, наоборот, уменьшается, чтобы подстроить поведение микротрубочек под конкретные задачи, стоящие перед клеткой. Неравновесная динамика микротрубочек помогает реорганизовать цитоскелет, изменять и поддерживать форму клетки, генерировать механические силы для ремоделирования мембран, изменения положения органелл и разделения дуплицированных хромосом во время митоза. Накопленные за последние годы биохимические данные и данные электронной криотомографии заставили пересмотреть ранее широко принятую модель сборки микротрубочки. Вопреки классическим представлениям было обнаружено, что микротрубочки растут за счет добавления не прямых, а изогнутых тубулинов в комплексе с гуанозинтрифосфатом (ГТФ) к кончикам изогнутых тубулиновых протофиламентов как в клетках, так и в очищенных системах белков. Опираясь на эти новые структурные данные и используя подход броуновской динамики, мы недавно построили подробную теорию сборки микротрубочки [1]. В этой модели изогнутые протофиламенты тубулина выпрямляются под действием тепловых флуктуаций, что позволяет формировать латеральные связи между ними. Построенная модель обеспечила описание сборки и разборки микротрубочек при различных концентрациях тубулина и генерации механических сил в масштабе времени нескольких секунд. В настоящей работе мы расширили компьютерные симуляции до временной шкалы часов, чтобы исследовать механизмы катастроф и спасений микротрубочек. Сформулированная нами новая Монте-Карло модель явно учитывает как нуклеотидное, так и конформационное состояния тубулина. Эта модель позволяет воспроизводить катастрофы и «старение» микротрубочек - постепенное снижение устойчивости микротрубочек с течением времени. Интересно, что модель с полностью ограниченными параметрами предсказывает крайне низкую частоту спонтанных спасений микротрубочек. Они возникают в симуляциях только если стенка микротрубочек содержит участки встроенного ГТФ-тубулина. Чтобы проверить это теоретическое предсказание, мы провели эксперименты в очищенной системе in vitro, создав специальные микропьедесталы на поверхности покровного стекла, которые позволили наблюдать динамику микротрубочек вдали от каких-либо поверхностей. Эта усовершенствованная постановка эксперимента позволила избежать неспецифических эффектов, возникающих при контакте микротрубочек с поверхностью покровного стекла. Мы обнаружили, что изолированные микротрубочки имеют существенно более низкую частоту встраивания ГТФ-тубулинов в местах дефектов микротрубочки и более низкую частоту спасений по сравнению с частотой спасений в общепринятой постановке эксперимента, что подтверждает выводы разработанной нами компьютерной модели. В целом, наше исследование устанавливает единую теорию для описания процессов сборки микротрубочек и их неравновесной динамики.
Анисимов М.Н. является стипендиатом Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС». Исследование выполнено при поддержке РНФ (проект № 21-74-20035). Литературные источники: 1. 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 New theoretical and experimental data on the mechanisms of catastrophes and rescues of tubulin microtubulesV.V. Alexandrova1,2, M.N. Anisimov1,2, N.B. Gudimchuk1,2* 1.Lomonosov Moscow State University, Physics department, Moscow, Russia; 2.Center for Theoretical Problems of Physico-Chemical Pharmacology, RAS, Moscow, Russia ; * nikita_gb(at)mail.ru Microtubules are essential polymers of the tubulin that exhibit intermittent phases of elongation and shortening in all eukaryotic cells. Stochastic transitions of microtubules between assembly and disassembly are called catastrophes and rescues. They are tightly regulated throughout the life cycle. For example, during cell division the frequency of microtubule catastrophes increases significantly, while the frequency of rescues, on the contrary, is decreased to adjust the behavior of microtubules to the current tasked faced by the cell. Microtubule dynamics help reorganize the cytoskeleton, change the cell shape, generate mechanical forces for membrane remodeling, repositioning of organelles, and segregating duplicated chromosomes during mitosis. Biochemical data and electron cryotomography data accumulated over the recent years, suggest that the previously widely accepted model of microtubule assembly should be revised. In contrast to the earlier classical model, it has now been established that microtubules assemble by addition of curved tubulin dimers in complex with guanosine triphosphate (GTP) to the tips of curved tubulin protofilaments, both in cells and in vitro. Based on these new structural data and using a Brownian dynamics approach, we have recently built a detailed microtubule assembly model, which suggested that bent tubulin protofilaments straighten by thermal fluctuations, allowing formation of lateral bonds [1]. The constructed model describes the assembly and disassembly of microtubules at various concentrations of tubulin and the generation of mechanical forces on a time scale of several seconds. In the present work, we have extended computer simulations to the time scale of hours, sufficient to describe such rare events as microtubule catastrophes and rescues. Our new Monte Carlo model considers both the nucleotide and conformational states of tubulin. Model analysis offers insights into the mechanisms of microtubule catastrophes and "aging" - a gradual decrease in the stability of microtubules over time. Interestingly, a fully constrained model predicts an dramatic reduction in the rate of spontaneous microtubule rescues. They occur in the simulations only if the microtubule wall contains patches of embedded GTP-tubulin. To test this theoretical prediction, we have performed in vitro experiments by observing microtubule assembly on the micropedestals, fabricated on the surface of the coverslip. This novel assay reveals microtubule dynamics away from contact with any surfaces, making it possible to avoid non-specific effects that appear when microtubules come into contact with the coverslip. We have observed a significant decrease in the frequency of incorporation of GTP-tubulins into the sites of microtubule lattice defects and a decrease in the frequency of rescues compared to the results of the conventional assay. These results are in agreement with our Monte Carlo model’s predictions. Overall, our study provides a unified framework for describing the processes of microtubule assembly and their nonequilibrium dynamics.
Anisimov M.N. is a recipient of a fellowship from the Foundation for the Development of Theoretical Physics and Mathematics "BASIS". This research has been supported by Russian Science Foundation (project # 21-74-20035). References: 1. 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 Докладчик: Гудимчук Н.Б. 136 2023-01-15
|