A stochastic chemo-mechanical model for microtubule dynamics on the dimer level: hydrolysis, catastrophes, and regulation
Biophysics
Final Report Abstract
Mikrotubuli (MT) sind röhrenförmige Proteinfilamente, die ein wesentlicher Bestandteil des Zellskellets sind und eine komplexe Polymerisationsdynamik zeigen, die scheinbar zufällig zwischen Wachstum und Schrumpfen hin- und herschaltet in sogenannten Katastrophen und Rettungen (dynamische Instabilität). Katastrophen werden durch den destabilisierenden Effekt der Hydrolyse von GTP-Tubulin zu GDP-Tubulin erklärt; der Verlust der stabilisierenden GTP-Kappe kann dann eine Katastrophe auslösen. Wie das im mikroskopischem Detail geschieht ist noch unverstanden. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein mikroskopisches chemomechanisches Simulationsmodell der MT-Dynamik auf dem Dimerlevel entwickelt, das es erlaubt, MT-Katastrophenereignisse in silico zu beobachten und zu analysieren. Das Modell ist effizient und kann mit gängiger Computer-Hardware (ohne auf Supercomputer angewiesen zu sein) und bei physiologischen Tubulinkonzentrationen Zeitskalen von wiederholt auftretenden Katastrophenereignissen erreichen (Zeitskalen von mehreren Minuten). Dies erlaubt Aussagen über die Mechanismen hinter den Katastrophen sowie einen Zugang zur Statistik dieser Ereignisse. Aussagen über Katastrophen-Mechanismen werden insbesondere möglich, weil die zeitliche Abfolge jedes Hydrolyse-Ereignisses auf Dimer-Level nachverfolgt werden kann im Simulationsmodell, was im Experiment heutzutage noch unmöglich ist. Hier zeigt das Simulationsmodell beispielsweise, dass ein “Keim” von drei benachbarten Protofilamenten, die ca. 6 Schichten tief hydrolysiert sind, eine Katastrophe auslösen kann. In einem zweiten Teil des Projektes wurde ein Modell entwickelt für stochastische Oszillationen der Mitose-Spindel, das auf einem “Tauziehen” zweier MT Ensembles beruht, die über elastischer Linker an die Kinetochoren und damit die Chromosomen gebunden sind. Hier konnten wir ausgehend von einem Minimalmodell und seiner analytischen Lösung Grenzen angeben für die elastischen Eigenschaften des Linkerkomplexes. Werden diese Constraints verletzt, waren Oszillationen nicht zu beobachten. Experimentelle biophysikalische Untersuchungen an diesem Linkerkomplex (der wahrscheinlich Ndc80 enthalt) werden experimentell gerade erst begonnen; daher sind die Grenzen, die unser theoretisches Modell setzen kann, eine hilfreiche Information. Wir haben auch demonstrieren können, dass das Minimalmodell durch Integration weiterer Effekte (polgerichteter MT-Fluss, polare Auswurfkräfte) auch in der Lage ist, experimentell beobachtete Oszillationen und ihre Eigenschaften zu reproduzieren (z.B. für PtK1-Zellen).
Publications
- “Bistability and oscillations in cooperative microtubule and kinetochore dynamics in the mitotic spindle”, New Journal of Physics 22, 053008 (2020)
F. Schwietert and J. Kierfeld
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab7ede)
