Микротрубочки являются важнейшими компонентами цитоскелета и играют главную роль в клеточном делении. Микротрубочки состоят из αβ-тубулина, который собирается продольно в протофиламенты. Около 13 протофиламентов связываются латерально образуя тем самым стенку микротрубочек. Существенным для функции микротрубочек является свойство динамической нестабильности, то есть способность к спонтанному переключению между ростом и укорочением микротрубочек, связанное со связыванием и гидролизом GTP. Динамика микротрубочек регулируется in vivo рядом белков, ассоциированных с микротрубочками. В медицине широко и весьма успешно применяются антимитотические химиотерапевтические средства, такие как таксол, которые связываются с микротрубочками и стабилизируют их, подавляя динамическую нестабильность и предотвращая деление клеток. Таксол и другие стабилизирующие соединения также мешают интерфазным микротрубочкам, тем самым влияя на многие важные клеточные процессы. С момента своего открытия таксол стал предметом многих исследований, направленных на выявление механизма его действия. Молекулярные механизмы действия таких препаратов могут быть изучены in silico методом молекулярной динамики.

Для выявления различий в механических свойствах протофиламентов тубулина, связанного с ГТФ, ГДФ и ГДФ+таксол, мы провели серию вычислительных экспериментов с использованием метода полноатомной молекулярной динамики в явно заданном растворителе. Важным усовершенствованием по сравнению с предыдущими расчетами динамики протофиламентов ГТФ- и ГДФ тубулина было использование новых данных работ (Manka S.W., Moores C.A. Nat Struct Mol Biol. 2018; Zhang R et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018), впервые определивших структуры тубулинов, связанных с ГДФ и негидролизуемым аналогом ГТФ в составе 13-протофиламентных микротрубочек. С использованием разработанной нами ранее методики анализа углов изгиба протофиламентов тубулина (Fedorov et al., Plos Comp. Biol. 2019), основанной на вычислении модифицированных углов Эйлера, была оценена конформационная подвижность ГТФ-, ГДФ тубулинов и ГДФ тубулинов с таксолом. Было показано, что добавление таксола приводит к изменениям как на внутри-, так и на междимерном интерфейсах. Было оценено изменение как величины изгибной жесткости, так и направления изгиба в присутствии таксола.

Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова при поддержке грантом РНФ, проект № 22-74-00119.

Microtubules are essential components of the cytoskeleton and play a major role in cell division. Microtubules are composed of αβ-tubulin, which assembles longitudinally into protofilaments. About 13 protofilaments bind laterally, thereby forming a microtubule wall. Essential to microtubule function is the property of dynamic instability, the ability to spontaneously switch between microtubule growth and shortening associated with GTP binding and hydrolysis. Microtubule dynamics is regulated in vivo by a number of microtubule-associated proteins. In medicine, antimitotic chemotherapeutic agents such as taxol, which bind to and stabilize microtubules, suppress dynamic instability and prevent cell division, are widely and very successfully used. Taxol and other stabilizing compounds also interfere with interphase microtubules, thereby affecting many important cellular processes. Since its discovery, taxol has been the subject of many studies aimed at elucidating its mechanism of action. The molecular mechanisms of action of such drugs can be studied in silico using the molecular dynamics method.

To reveal differences in the mechanical properties of tubulin protofilaments bound to GTP, GDP, and GDP+taxol, we performed a series of computational experiments using the full atom molecular dynamics method in an explicitly specified solvent. An important improvement compared to previous calculations of the dynamics of GTP- and GDP tubulin protofilaments was the use of new data from works (Manka S.W., Moores C.A. Nat Struct Mol Biol. 2018; Zhang R et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018), which for the first time determined the structures of tubulins associated with GDP and a non-hydrolyzable analogue of GTP in the composition of 13-protofilament microtubules. Using our previously developed method for analyzing the bending angles of tubulin protofilaments (Fedorov et al., Plos Comp. Biol. 2019), based on the calculation of modified Euler angles, we evaluated the conformational mobility of GTP-, GDP-tubulins and GDP-tubulins with taxol. Taxol addition has been shown to result in changes at both intra- and inter-dimeric interfaces. The change in both the magnitude of the bending stiffness and the bending direction was evaluated in the presence of taxol.

The work was performed using the equipment of the Center for Collective Use of Ultra-High-Performance Computing Resources of Lomonosov Moscow State University with the support of a grant from the Russian Science Foundation, project No. 22-74-00119.