Information

Bygger mikrotubuli

Bygger mikrotubuli



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Jag har några frågor om att bygga mikrotubuli:

  1. Finns alfa- och betamonomerer alltid som dimerer när de binder till tubulin?

  2. När tubulinstrukturen förstörs, faller alfa- och betamonomerer isär som dimerer eller monomerer? och händer det i den positiva eller negativa änden?


Mikrotubuli polymeriserar från och depolymeriserar till alfa-beta-tubulin-dimerer.

Båda händer i båda ändarna, se denna fråga: I vilken ände sker polymerisation av mikrotubuli?.


Cellbiologi 06: Cytoskelettet Del II: Tubulin

Förra veckan tog vi upp mikrofilament, som är gjorda av aktin. Denna vecka: mikrotubuli, gjorda av tubulin. Varför, frågar du, behöver cytoskelettet två separata system? Tänk på att mikrofilament bara är kedjor av individuella underenheter, medan mikrotubuli bokstavligen är rör (som vi snart kommer att se) – ihåliga cylindrar med väggar gjorda av kedjor gjorda av dimerer. Dessa olika strukturer innebär olika förmågor: mikrofilament kan lättare bildas spontant och kan förgrena sig (med hjälp av Arp2/3 och andra komplex som diskuterades förra gången) för att bilda olika nätverksformer och koppla samman olika delar av cellen. Mikrotubuli är mer beroende av kärnbildning för att bildas, och är i grunden ett ekernätverk som förbinder centrosomen med cellens periferi. I praktiken är mikrofilament rikligt förekommande i cellbarken och starkt involverade i kontraktila rörelser och cellmotilitet, medan mikrotubuli är mest involverade i att organisera organeller och fungerar som spår för anterograd och retrograd transport.

Mikrotubuli

(Bild tack vare Wikimedia Commons-användaren Jeffrey81)

Förutom Wikipedia är tidigare utgåvor av Lodish och Cooper cellbiologi läroböcker tillgängliga på NCBI också utmärkta referenser.

Den rörformiga strukturen hos mikrotubuli är robustare än mikrofilament, vilket tillåter mycket tungt drag och tryck. Även om de är robusta är mikrotubuli temperaturberoende – depolymeriserar om de kyls till 4°C och kommer att repolymeriseras igen om de värms upp till 37°C förutsatt att GTP är tillgängligt.

Den grundläggande byggstenen för mikrotubuli är en α-tubuilin/β-tubulin-dimer (kodad av TUBA_-gener respektive TUBB_-gener). De individuella tubulinproteinerna väger var och en

110Da / aminosyra som är i storleksordningen 500 aminosyror. Både α- och β-tubulin binder GTP, men α håller i stort sett bara fast för evigt, medan det i β kan bytas ut eller hydrolyseras till BNP och sedan bytas ut mot nytt GTP igen.

Strängar av på varandra följande α/β-dimerer utgör protofilamentoch 13 protofilament anordnade sida vid sida i en cylinder bildar en mikrotubuli. Utrymmet mellan protofilamenten kallas en ‘söm’. Hela mikrotubuli är

25 nm i diameter. Du kan typ se dess struktur (gjord av dimerer och protofilament) i segmentet Inner Life of the Cell om mikrotubuli:

Inom varje dimer är β-subenheten (+)-änden, gynnad för polymerisation och a-änden (-)-änden, gynnad för depolymerisation. Mikrotubuli bildas i princip i samma tre steg som mikrofilament – kärnbildning, förlängning och steady state. Men till skillnad från mikrofilament bildas de inte lätt av sig själva, så kärnbildning kräver mikrotubuliorganiseringscentra (MTOCs). Icke-delande celler har var och en bara en MTOC, kallad centrosomen. (Detta är också avbildat i videon ovan). Centrosomen ligger nära kärnan och är nav till en radiell konfiguration av mikrotubuli med (-) ändar pekade in och (+) ändar pekar mot cellens periferi.

Centrosomen består av 2 cylindrar som kallas centrioler. Varje centriol består av vardera 9 uppsättningar av 3 lateralt sammansmälta mikrotubuli, omgivna av ett amorft ‘pericentriolärt material‘ rikt på saker som främjar kärnbildning – speciellt γ-tubulinringkomplex (gammatubulin kodas av TUBG_-gener). γ-tubulin är tänkt som en ‘delad bricka’:

Modellen är att de kluvna ändarna tillåter γ-tubulin att binda till α-tubulin – d.v.s. (-) änden av en mikrotubuli som ska formas – tillhandahåller kärnbildningsfröet för att en mikrotubuli ska bildas.

Mikrotubuli kan bildas in vitro. Dynamiken beror mest på kritiska koncentrationer. (-)-änden är mindre lutad mot polymerisation än (+)-änden, så den har en högre kritisk koncentration. Om den faktiska koncentrationen är mellan de två ändarnas kritiska koncentrationer, inträffar löpband.

När en mikrotubuli plötsligt börjar dissociera kallas detta en ‘katastrof’. Katastrofer har en viss intressant energidynamik. Minns från tidigare att beta-tubulin, som är (+) änden där förlängning sker, kan vara antingen GTP- eller GDP-bundet. Det är en mer stabil del av dess mikrotubuli när det är GTP-bundet. GDP-bundet tubulin är benäget att dissociera. Mikrotubuli bildas i första hand genom tillsats av GTP-bundet beta-tubulin i (+)-änden, men efter att ha tillsatts hydrolyserar beta-tubulinmolekylerna senare sin GTP och lämnar dem GDP-bundna. Så det finns ett slags ‘tipp’ av mikrotubuli som är GTP-bundet, medan beta-tubulin djupare ner i mikrotubulin, som lagts till för länge sedan, är BNP-bundet. Om gränsen för GTP-hydrolys kommer ikapp till spetsen, eller om något händer som skär av mikrotubuli, så exponeras det mindre stabila, BNP-bundna beta-tubulinet, och protofilamenten kommer att börja skalas bort som "rams horn" #8221. Om detta händer kommer mikrotubuli att demonteras tills den träffar en “ö” av GTP-bundet beta-tubulin någonstans längre ner i strået. Katastrof kan ‘räddas’ genom att lägga till nya GTP-bundna tubulin-dimerer som kommer att täcka ändarna och stabilisera protofilamenten, vilket gör att mikrotubuli kan återbildas. Du kan se i den här videon att depolymerisering av mikrotubuli kan vara mycket snabbare än polymerisering:

Här är några föreningar användbara för att studera mikrotubuli. Colchicin, ett läkemedel mot gikt, binder fria alfa-beta-dimerer, vilket minskar deras tillgång för mikrotubulibildning och främjar därmed depolymerisation. Nocodazol interfererar också med nybildning av mikrotubuli, och eftersom bildandet av nya mikrotubuli är viktigt för mitos, är nocodazol ett antineoplastiskt cancerläkemedel. Omvänt fungerar paklitaxel (taxol), ett annat läkemedel mot cancer stabiliserande mikrotubuli, eftersom nedbrytning av befintliga mikrotubuli också är viktigt för mitos.

Mikrotubuli-associerade proteiner (MAP) har olika roller. Anmärkningsvärda är MAP4 (i icke-neuronala celler), MAP2 (i neuroner) och Tau (i neuroner kodade av MAPT-genen). Alla dessa har det gemensamt att de verkar för att stabilisera mikrotubuli, förändra kinetiken till förmån för mikrotubulitillväxt och mot katastrof. Var och en innehåller en sträcka på 18 aminosyror med positivt laddade aminosyror som binder till den negativa delen av mikrotubuli. De kan verka för att bunta ihop flera mikrotubuli [Dehmelt & Halpain 2005], med MAP2 som håller mikrotubulierna på ett större avstånd på grund av dess längre arm (jämfört med Tau).

MAP:erna regleras av fosforylering: MARK [Drewes 1997] proteinkinaserna binder fosfatgrupper kovalent till S-, T- eller Y-aminosyror i MAP-proteinerna, vilket minskar deras förmåga att binda mikrotubuli. (Cyclinberoende kinaser reglerar också MAPs under mitos). Man tror att dessa MAP fungerar för att bestämma den fysiska strukturen hos celler. I neuroner finns MAP2 i dendriter och Tau finns mestadels i axonet. Mutationer i MAPT-genen som kodar för Tau orsakar frontotemporal demens (FTD). Hyperfosforylerad Tau finns (även om vi inte vet varför) i Alzheimers patienters hjärnor. Musmodeller av båda dessa sjukdomar visar axonal degeneration [Gotz & Ittner 2008 (ft)], överensstämmande med att Tau inte kan göra sitt jobb med att stabilisera mikrotubuli i axonet.

En annan klass av proteiner, som heter +Tips för deras bindning till (+) änden av mikrotubuli, kan skydda mot katastrof. De verkar sträcka sig en bra bit ner i mikrotubuli. Den här videon visar att EB-1 trycks utåt eftersom ändarna på mikrotubuli växer:

Andra ändbindande proteiner främjar katastrof snarare än stabilitet. Kinesin-13 verkar för att kröka änden av protofilamenten, vilket sänker tröskeln för katastrof. Stathmin (STMN1-gen aka Op18, där Op står för onkoprotein) binder till tubulin-dimerer i ett protofilament, vilket främjar både omedelbar katastrof och möjligen även GTP-hydrolys, som genom att ta bort “öar” av GTP-bundet beta-tubulin skulle representera mer av en långsiktig investering till förmån för katastrof. Stathmin regleras av fosforylering. Katanin (efter det japanska svärdet katana) skär bokstavligen mikrotubuli.

Mikrotubuli motorproteiner liknar till stor del mikrofilamentmotorproteiner. De finns i två familjer: kinesiner, av vilka de flesta rör sig anterograd, dvs. mot (+)-änden och dyneiner, av vilka de flesta rör sig retrograd, dvs. mot (-)-änden. De ‘promenerar’ så här:

Kinesin och dynein är involverade i att flytta organeller, endocytos och exocytos, och kromosomsegregation under meios och mitos.

Kinesin-1, den bäst studerade av kinesinerna, är en ‘konventionell’ kinesin genom att den fungerar som en tetramer som består av två tunga kedjeenheter (KIF1-gener t.ex. KIF1A) som omfattar ‘head’-domänerna som hydrolyserar ATP och binder mikrotubulierna, och två lätta kedjeenheter (KLC-gener t.ex. KLC1) som omfattar en ‘svans’ som binder lasten, i detta fall vesiklar. En länkdomän (vilket protein är denna del av?) möjliggör dimerisering av två tunga kedjor.

Här är en video där den fungerar. Observera att videon kallar det en dimer istället för en tetramer I tror det beror på att de bara tänker på huvuden och inte diskuterar svansarna.

Några av de andra kinesinerna skiljer sig lite åt:

  • Kinesin-2, som också gör vesikel- och organelltransport, är en heterotrimer med två olika (men relaterade) tunga kedjor och en annan polypeptid som den använder för att reglera sin last.
  • Kinesin-5 har huvuden i båda ändarna istället för ett huvud och en svans, så att den går i motsatta riktningar på två olika mikrotubuli och drar ihop dem. Detta kallas ‘bipolär rörelse’.
  • Kinesin-14 är det enda kända kinesinet som rör sig mot (-) änden, och det är involverat i mitos.

Principerna för ‘walking’-rörelsen är i stort sett desamma för alla kinesins, och är vad som avbildas i den sista videon ovan. När de inte är bundna till en mikrotubuli, är ‘huvudena’ båda ADP-bundna. Ett huvud kommer att råka stöta på en mikrotubuli och binda till den, släppa dess ADP, vilket gör att en ATP kan ersätta den. ATP-bindningen inducerar konformationsförändring som drar i länken, svänger den andra, ‘släpar’ huvudet framåt till ledande position där den binder till mikrotubuli. Det ursprungliga huvudet hydrolyserar sedan ATP som frigör fosfat (vilket förkortas som Pi i videon) och ger energi för det ena energetiskt uppförsbacke i denna process, som bryter sig loss från mikrotubuli.

Myosin (motorproteinet som går på mikrofilament) och kinesin har mycket liknande strukturer men ingen aminosyrasekvenslikhet. Sålunda tros de inte för att vara paraloger, utan snarare ett exempel på konvergent evolution.

Folk pratar mycket om kinesins delvis för att vi inte förstår dyneiner lika bra. Dyneiner är enorma proteiner, gjorda av 2 stora, 2 mellanliggande och 2 små subenheter. Deras stora storlek har gjort dem svåra att isolera och karakterisera och deras funktion är inte väl förstådd. Vi vet att dynaktinkomplexet (ett multiproteinkomplex, dynaktinerna själva är DTCN_-gener) är involverat som en ‘adapter’ som länkar dynein till last.

Den här videon sammanfattar hela cytoskelettet och repen i mycket av materialet från förra veckan och denna föreläsning:

Som nämnts i sekretionsvägnoterna är PrP GPI-förankrad till membranet och genomgår endocytos mycket regelbundet, vilket skapar endocytiska vesiklar med PrP i dem. Encalada 2011 finner att Kinesin-1C och DHC1 (dynein tung kedja 1) är ansvariga för att transportera dessa PrP-vesiklar anterograd respektive retrograd. När Encalada slog ut, slog ner eller hämmade Kinesin-1C, anterograd och retrograd rörelse reducerades, och på samma sätt när DHC1 stördes. Så det verkar som att dessa två komplex, även om de rör sig i motsatta riktningar, aktiverar varandra. Och intressant nog, att störa dessa motorproteiner hindrade inte PrP-vesiklar från att associera med motorer – de rörde sig helt enkelt inte lika snabbt eller lika ofta. Uppsatsen har ett antal andra cellbiologiska slutsatser om hur vesiklar aktiverar motorproteiner och hur transportriktningen bestäms.

Om Eric Vallabh Minikel

Eric Vallabh Minikel är på en livslång strävan efter att förebygga prionsjukan. Han är en vetenskapsman baserad vid Broad Institute of MIT och Harvard.


Omvänd konstruktion av livets fyrverkerier

Föreställ dig att stå på en timmergård och bli ombedd att bygga ett hus -- utan ritningar eller instruktioner av något slag. Allt material ligger framför dig, men det betyder inte att du har den första idén om hur du tar dig från punkt A till punkt B.

Det var situationen för Princeton-biologerna som bygger mikrotubuli, cellens skelett, från grunden.

"Vi trodde inte att det var möjligt", säger Sabine Petry, biträdande professor i molekylärbiologi. I flera år har Petry och forskarna i hennes labb bländat den biologiska världen med videor av vad de kallar "livets fyrverkerier", som visar förgrening och tillväxt av dessa mikroskopiska strukturer. "Från att göra fyrverkerier till att komma till receptet på hur fyrverkerier tillverkas? Vi hade föreställt oss och brainstormat om det i fem år." Under den tiden hade hennes team noggrant bestämt fyrverkeriets komponenter, ett protein i taget, och doktorand Akanksha Thawani hade kommit på en modell för sekvensen, men att testa den verkade omöjlig.

Men sedan sa tidskriftens recensenter till dem att de inte kunde publicera sin modell om de inte bevisade det experimentellt.

"Vissligen, efter att ha sett Akanksha arbeta med detta så länge, när domaren bad om mer arbete, var jag skeptisk till att vi skulle kunna reda ut ordningen för molekylära bifogningar inom rimlig tid", säger Howard Stone, Princetons Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i maskin- och rymdteknik och Thawanis medrådgivare. "Men Akanksha var fokuserad och disciplinerad och tacklade systematiskt experiment som identifierade ordningen för de molekylära bifogningarna. Det var fantastiskt att följa hennes detektivarbete."

"De frågade oss, och vi ville få det publicerat, så det gjorde susen," sa Petry. "Recensionsprocessen får mycket dålig press, men recensenter kan ibland driva dig till nästa nivå." Resultaten av deras arbete visas i tidskriften eLife.

Att bygga ett hus utan ritningar

Mikrotubuli är cellens tegelstenar och murbruk, som används för att bygga cellväggar och spindlar av mitos och meios -- utan dem kunde inte ens encelliga organismer föröka sig -- men hittills visste ingen exakt hur mikrotubuli förgrenar sig varandra. I ett decennium har forskare vetat att förgreningen, orsakad av att mikrotubulierna växer från varandra, var nyckeln till att montera spindlar och göra kopplingar mellan cellkomponenterna.

"Den saknade biten i ett decennium eller så har varit denna mikrotubuliförgrening - att mikrotubuli inte växer bara linjärt, utan de faktiskt förgrenar sig, och de kan förgrena sig om och om igen, skapa dessa fyrverkerier," sa Petry.

Medan Petrys team hade identifierat de komponenter som var nödvändiga för att bygga mikrotubuli, hade de inte satt ihop sekvensen - receptet - som beskrev exakt hur man sätter ihop dem, på molekylär nivå, för att få spindlarna att växa och förgrena sig till fyrverkerier. Och för det mesta var det bra. Biologin gjorde det åt dem. Om de satte ihop rätt komponenter så växte fyrverkeriet bara.

Men exakt hur gick det till? Det var frågan som tjatade på Thawani, en kemisk och biologisk ingenjörsstudent som forskar i Petrys labb.

"Under den längsta tiden har jag stirrat på dem och undrat hur det här fungerade, från grunden", sa Thawani, som nyligen vann Charlotte Elizabeth Proctor Fellowship för doktorander under sitt sista år. "Vi utgår från inga mikrotubuli alls, och sedan, inom 15 minuter, har vi dessa vackra strukturer. Hur skapar man en struktur från dessa nanometerstora proteiner? Vad var det med deras bindningskinetik eller deras organisation som skulle resultera i strukturer som vi ser?"

Thawani hade en unik position för att ta itu med dessa frågor, efter att ha tillbringat flera år med att studera kemiteknik och fysik samt molekylärbiologi. Hon har i huvudsak uppfunnit en ny subspecialitet mellan de tre fälten. "I skärningspunkten mellan discipliner - det är där nästa, bästa vetenskap är," sa hon.

De eLife papper står vid det ovanliga vägskälet: av de fyra författarna är alla utom Thawani huvudforskare (PI) av sina egna forskningslabb, inom tre vanligtvis orelaterade områden: Petry i biologi Stone i ingenjörsvetenskap och Joshua Shaevitz, professor i fysik och Lewis -Sigler Institute for Integrative Genomics.

"Jag känner inte till många exempel där det finns en första författare och sedan tre PI:er," sa Petry. "Jag tror att det är Princetons styrka. Jag känner inte till någon annan plats där det är så lätt att få ihop tre professorer för att få till stånd ett projekt."

Nyckeln, hade Thawani insett, var att skapa en datormodell baserad på exakta mätningar av mikrotubuliernas tillväxtmönster. Det krävde avbildning av fyrverkeriet med total intern reflektionsfluorescens (TIRF) mikroskopi, en styrka hos Petry-labbet, som har utvecklat tekniker för att optiskt isolera ett 100 nanometer tjockt område av provet så att förgrenade mikrotubuli kan ses i ett hav av bakgrund molekyler. (För referens, ett människohår är cirka 500 gånger bredare än så.)

Men även då inkluderade varje pixel som spelades in av kameran tusentals molekyler. Thawani var tvungen att hitta ett sätt att dela upp de visuella data för att göra observationer av en enda molekyl, vilket krävde månader av komplicerad bildanalys - och hjälp från Shaevitz, som har spenderat år på bildanalys.

I slutändan mätte Thawani exakt när och var ett enskilt protein binder till en befintlig mikrotubuli för att starta en ny gren, såväl som dess tillväxthastighet, när man tittar på en molekyl i taget.

"Det traditionella tillvägagångssättet, där du ändrar mängden av olika molekyler i förgreningsreaktionen, tillåter dig inte att ta reda på i vilken ordning saker måste hända", säger Shaevitz, som också är meddirektör för det NSF-finansierade Centrum för biologisk funktions fysik. "Genom att titta på enskilda molekyler kan vi bokstavligen titta på sammansättningen bit för bit när den händer."

Thawani skapade sedan en datormodell med dessa parametrar. Andra forskare har försökt modellera mikrotubulusförgrening tidigare, men ingen hade tillgång till så exakta mätningar att testa sin modellutdata mot. Hon testade sedan olika sekvenser som forskarna hade brainstormat under åren, och modellen uteslöt alla utom en.

Så nu hade forskargruppen ingredienserna -- proteiner som heter TPX2, augmin och ?-TuRC -- såväl som sekvensen av steg, men datorn kunde inte tala om för dem vilket protein de skulle lägga till när. Och som alla som har satt ihop kitmöbler eller bakat bröd från grunden vet, fungerar det inte att göra stegen i ordning.

Den sista twisten

Experimenten som granskarna krävde visade att Thawani och Petrys förväntningar var exakt bakåtvända. "Vi tänkte att det måste vara augmin först och sedan TPX2, men det visade sig vara tvärtom," sa Thawani. "Det var vändningen."

Med den upptäckten hade forskarna det kompletta receptet för att generera mikrotubuli-fyrverkerier: Om TPX2 deponeras på befintliga mikrotubuli, följt av bindning av augmin med ?-TuRC, kommer nya mikrotubuli att bilda kärnor och förgrena sig.

Som ett sista steg bekräftade de att proteinerna skulle binda med exakt den hastighet som förutspåtts av Thawanis datormodell. "Det var det tredje genombrottet", sa Petry, "som dessa siffror matchade, att det som förutspåddes av hennes modell i datorn var sant för biologin."

"Detta arbete från Petry är verkligen ett viktigt tillskott som kommer att hjälpa till att driva fältet framåt", säger Daniel Needleman, Gordon McKay-professorn i tillämpad fysik och professor i molekylär- och cellbiologi vid Harvard University. "Jag tror att detta arbete, i kombination med resultat från min grupp och från Jan Brugueacutes (vid Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics i Dresden), verkligen har förtydligat "reglerna" för mikrotubuluskärnbildning i spindlar. Nästa steg kommer att vara att ta reda på de molekylära processerna som styr dessa regler. Petry och högskolor har satt upp ett system som verkligen borde hjälpa till att göra det."

När vi ser tillbaka, sade Petry, var arbetet "fullt av överraskningar, både experimentellt och vad man kan uppnå och hur det kan uppnås. Att återbesöka denna långvariga fråga, inkludera professorer från tre områden, granskningsprocessen - hela systemet arbetade."


Bygga mikrotubuli - Biologi

Dessa raka, ihåliga cylindrar finns i cytoplasman hos alla eukaryota celler (prokaryoter har dem inte) och utför en mängd olika funktioner, allt från transport till strukturellt stöd. Mikrotubuli, som är cirka 25 nanometer i diameter, utgör en del av cytoskelettet som ger struktur och form till en cell, och fungerar även som transportband som förflyttar andra organeller genom hela cytoplasman. Dessutom är mikrotubuli huvudkomponenterna i flimmerhår och flageller och deltar i bildandet av spindelfibrer under celldelning (mitos). Längden på mikrotubuli i cellen varierar mellan 200 nanometer och 25 mikrometer, beroende på uppgiften för en viss mikrotubuli och tillståndet i cellens livscykel.

Mikrotubuli är biopolymerer som är sammansatta av subenheter gjorda av ett rikligt globulärt cytoplasmatiskt protein känt som tubulin, som illustreras i figur 1. Varje subenhet i mikrotubuli är gjord av två något olika men närbesläktade enklare enheter som kallas alfa-tubulin och beta-tubulin som är bundna mycket hårt tillsammans för att bilda heterodimerer. I en mikrotubuli är underenheterna organiserade på ett sådant sätt att de alla pekar åt samma håll för att bilda 13 parallella protofilament. Denna organisation ger strukturen polaritet, med endast alfa-tubulinproteinerna exponerade i ena änden och endast beta-tubulinproteiner i den andra.

Genom att lägga till eller ta bort globulära tubulinproteiner kan längden på polymera mikrotubuli ökas eller minskas. Eftersom de två ändarna av en mikrotubuli inte är desamma, är hastigheten med vilken tillväxt eller depolymerisation sker vid varje pol olika. Änden av en polariserad filament som växer och krymper snabbast kallas plusänden och den motsatta änden kallas minusänden. För alla mikrotubuli är minusänden den med exponerade alfa-tubuliner. I en djurcell är det denna ände som ligger vid den centriolinnehållande centrosom som finns nära kärnan, medan plusänden, som består av exponerade beta-enheter, projiceras ut mot cellens yta. Mikrotubuli monteras och demonteras kontinuerligt så att tubulinmonomerer kan transporteras någon annanstans för att bygga mikrotubuli vid behov.

Presenterad i figur 2 är en digital bild av mikrotubulusnätverket som finns i en embryonal muscell sett genom ett optiskt fluorescensmikroskop. Det omfattande sammanflätade nätverket är märkt med primära antikroppar mot alfa-tubulin, som sedan färgas med sekundära antikroppar som innehåller ett grönt fluorescerande färgämne. Kärnan motfärgades med ett rött färgämne för att notera dess placering i förhållande till mikrotubulusnätverket. Fluorescensmikroskopi är ett viktigt verktyg som forskare använder för att undersöka strukturen och funktionen hos inre cellulära organeller.

Utöver sin strukturella stödroll fungerar mikrotubuli också som ett motorvägssystem längs vilket organeller kan transporteras med hjälp av motorproteiner. Till exempel kopplar mikrotubulinätverket ihop Golgi-apparaten med plasmamembranet för att styra sekretoriska vesiklar för export, och transporterar även mitokondrier fram och tillbaka i cytoplasman. Ett annat exempel är translokationen av vesiklar som innehåller neurotransmittorer av mikrotubuli till spetsarna på nervcellsaxoner. Motorproteinerna som är involverade i organelltransport fungerar genom att ändra sin tredimensionella konformation med hjälp av adenosintrifosfat (ATP) som bränsle för att röra sig fram och tillbaka längs en mikrotubuli. Med varje steg släpper motormolekylen en del av mikrotubuli och greppar ett andra ställe längre bort från filamentet. Motorproteiner, som är grupperade i flera distinkta klasser, fäster till organeller genom specialiserade receptorer.

Eftersom eukaryota celler i hög grad är beroende av integriteten hos mikrotubuli och andra cytoskelettfilament för att bibehålla sin struktur och i huvudsak för att överleva, producerar många växter naturliga toxiner som syftar till att störa mikrotubulinätverket som ett medel för självförsvar. Taxol, till exempel, är ett giftigt ämne som produceras av en art av idegran som ökar mikrotubuluspolymerisationen (som bygger en makromolekyl) genom att binda till filamentet och stabilisera den. Andra naturliga gifter, som kolchicinet som produceras av ängsaffran, destabiliserar mikrotubuli och hindrar deras polymerisering. Båda typerna av händelser kan vara dödliga för den drabbade cellen, men under vissa omständigheter kan detta vara fördelaktigt för djur, vilket visas av taxol, som vanligtvis används som cancerläkemedel.


12.4: Mikrotubuli

  • Bidragit av E. V. Wong
  • Axolotl Academica Publishing (Biology) på Axolotl Academica Publishing

Mikrotubuli består av två lika fördelade, strukturellt likartade, globulära subenheter: &alfa- och &beta-tubulin. Liksom mikrofilament är mikrotubuli också beroende av ett nukleotidtrifosfat för polymerisation, men i det här fallet är det GTP.

Mikrotubulistabilitet är temperaturberoende: om de kyls till 4&°C faller mikrotubuli isär till &alfa&beta-tubulinheterodimerer. Uppvärmd till 37°C repolymeriserar tubulinet om det finns tillgängligt GTP.

En annan likhet är att mikrotubuli har en polaritet där (-)-änden är mycket mindre aktiv än (+)-änden. Men till skillnad från de tvinnade mikrofilamenten finns mikrotubulierna mestadels som stora 13-strängade (varje sträng kallas protofilament) ihåliga rörstrukturer. Dessutom växlar &alfa- och &beta-tubulin som används för att bygga mikrotubulierna inte bara, utan de tillsätts faktiskt i par. Både &alfa-tubulin och &beta-tubulin måste binda till GTP för att associeras, men när det väl är bundet rör sig det GTP som är bundet till &alfa-tubulin inte. Å andra sidan kan GTP bundet i &beta-tubulin hydrolyseras till BNP. GDP-bundna &alfa&beta-dimerer kommer inte att läggas till en mikrotubuli, så liknar situationen med ATP och g-aktin, om tubulinet har GDP bundet till sig måste det först byta ut det mot ett GTP innan det kan polymeriseras. Även om affiniteten för tubulin för GTP är högre än affiniteten för GDP, underlättas denna process vanligtvis av en GEF, eller guaninukleotidbytesfaktor. Som signaltransduktionskapitlet kommer att visa mer i detalj är denna typ av nukleotidutbyte en vanlig mekanism för aktivering av olika biokemiska vägar.

Bild (PageIndex<4>). Mikrotubuli uppvisar dynamisk instabilitet. GTP-bundna &alfa&beta-tubulin-dimerer läggs till mikrotubuli. När väl GTP har hydrolyserats, anstränger konformationsförskjutningen mikrotubuli, som tenderar att bryta isär om inte nya tubulin-dimerer tillsätts för att stabilisera strukturen.

Återigen som aktin har tubulinet i sig enzymatisk aktivitet, och med tiden hydrolyserar GTPas-aktiviteten GTP till BNP och fosfat. Detta ändrar bindningen mellan &beta-tubulin av en dimer och &alfa-tubulin i dimeren den staplas på eftersom formen på subenheten ändras. Även om den inte direkt lossar sitt grepp om det närliggande tubulinet, orsakar formförändringen ökad stress när den delen av mikrotubuli försöker trycka utåt. Detta är grunden för en egenskap hos mikrotubuli som kallas dynamisk instabilitet. Om det inte finns något som stabiliserar mikrotubuli kommer stora delar av den att falla isär. Men så länge som nytt tubulin (som kommer att ha GTP-bundet) tillsätts i en tillräckligt hög hastighet för att hålla en sektion av lågspännings- och stabil konformationsmikrotubuli (kallad GTP-kåpa) ovanpå den äldre BNP-innehållande delen, sedan stabiliserar det hela mikrotubuli. När ny tubulintillsats saktar ner, och det bara finns ett mycket litet eller obefintligt lock, genomgår mikrotubuli en katastrof där stora portioner snabbt bryts isär. Observera att detta är en mycket annorlunda process än nedbrytning genom depolymerisation, vilket är den gradvisa förlusten av endast ett fåtal subenheter åt gången från slutet av mikrotubuli. Depolymerisation sker också, och liksom med aktin, bestäms delvis av de relativa koncentrationerna av fritt tubulin och mikrotubuli.

Ur fysisk synvinkel är mikrotubuli ganska stark, men inte särskilt flexibel. En mikrofilament kommer att böjas och böjas när en deformerande kraft appliceras (föreställ dig att filamentet förankrat i den nedre änden står rakt upp och något trycker spetsen åt sidan). Mikrotubuli i samma situation kommer bara att böjas något, men bryts isär om den deformerande kraften är tillräcklig. Det finns naturligtvis en gräns för flexibiliteten hos mikrofilamentet och så småningom kommer det också att gå sönder. Mellanliggande filament är något mindre flexibla än mikrofilamenten, men kan motstå mycket mer kraft än antingen mikrofilament eller mikrotubuli.


Självmonterad konstgjord mikrotubuli som LEGO byggklossar

Hierarkisk självmontering av polypseudorotaxaner till konstgjorda mikrotubuli. Kredit: Kimoon Kim (POSTECH)

Enkla LEGO-klossar kan sättas ihop till mer komplicerade strukturer, som ytterligare kan associeras till en mängd olika komplexa arkitekturer, från bilar, raketer och fartyg till gigantiska slott och nöjesparker. En sådan händelse av flerstegsmontering, så kallad 'hierarkisk självmontering', inträffar också i levande organismer.

Professor Kimoon Kim (Kemiska institutionen, POSTECH) och hans forskargrupp (Center for Self-assembly and Complexity, Institute for Basic Science) upptäckte att ett cucurbiturilbaserat värd-gästkomplex polymeriserades till en linjär polymerkedja, vilket ytterligare var förknippat med varandra till en ihålig mikrotubuli via van der Waals-interaktioner som härrör från deras formsjälvkomplementaritet. Deras nya fynd introduceras som de senaste nyheterna Angewandte Chemie International Edition, which is one of the world's renowned journals in Chemistry.

Microtubules exist in living cells of plants and animals and they are essential in maintaining cellular structures, migration of cells, intracellular transport and more. In other words, essential cellular functions such as cellular divisions and intracellular transport cannot be performed when problems occur in formation or dissociation of microtubules.

These microtubules are formed via hierarchical self-assembly of globular proteins in nanometer size tubulins, which grow into linear protofilaments. Subsequently, these protofilaments are assembled together to build a multi-stranded tubular structure with a length over tens of micrometers.

Before the researchers' findings, many attempts were made to mimic the self-assembly of microtubules in depth for years. However, the formation mechanism of natural microtubules at the molecular level is still ambiguous.

To make artificial microtubules, the research group utilized the cucurbituril-based host-guest complex with two thiol groups attached at the both ends as a building block. This building block assembled into one-dimensional linear polymers by disulfide bond formation. Then, these polymers were laterally associated into a hollow cylindrical architecture similar to natural microtubules through van der Waals interactions. The formation of artificial microtubules was characterized by various spectroscopic and microscopic studies including X-ray diffraction at Pohang Light Source.

The research team found that the polymer chain became straight and stiff by itself, and eventually LEGO brick-like shape self-complementarity emerged during the growth of polymer. Strikingly, the convex structures of one chain matched well with the concave parts of the neighboring chains, which allowed lateral association of polymer chains.

The first author of the paper, Wooseup Hwang explained, "Studies before our discovery were focused on mimicking architecture of microtubules. What differentiates our research from the conventional ones is that we attempt to mimic the formation mechanism of microtubules as well as architecture."

Dr. Kangkyun Baek, the other co-corresponding author commented, "We are planning to extend our study to mimic dynamic behaviors and various biological functions of natural microtubules," and "This novel approach based on the shape self-complementarity will make a step forward to understand the formation mechanism of natural microtubules and offer new opportunities to explore unconventional hierarchical self-assemblies and novel functional materials."


Innehåll

In vivo, cells get around this kinetic barrier by using various proteins to aid microtubule nucleation. The primary pathway by which microtubule nucleation is assisted requires the action of a third type of tubulin, γ-tubulin, which is distinct from the α and β subunits that compose the microtubules themselves. The γ-tubulin combines with several other associated proteins to form a conical structure known as the γ-tubulin ring complex (γ-TuRC). This complex, with its 13-fold symmetry, acts as a scaffold or template for α/β tubulin dimers during the nucleation process—speeding up the assembly of the ring of 13 protofilaments that make up the growing microtubule. [3] The γ-TuRC also acts as a cap of the (−) end while the microtubule continues growth from its (+) end. This cap provides both stability and protection to the microtubule (-) end from enzymes that could lead to its depolymerization, while also inhibiting (-) end growth.

The γ-TuRC is typically found as the core functional unit in a microtubule organizing center (MTOC), such as the centrosome in animal cells or the spindle pole bodies in fungi and algae. The γ-TuRCs in the centrosome nucleate an array of microtubules in interphase, which extend their (+)-ends radially outwards into the cytoplasm towards the periphery of the cell. Among its other functions, this radial array is used by microtubule-based motor proteins to transport various cargoes, such as vesicles, to the plasma membrane.

In animal cells undergoing mitosis, a similar radial array is generated from two MTOCs called the spindle poles, which produce the bipolar mitotic spindle. Some cells however, such as those of higher plants and oocytes, lack distinct MTOCs and microtubules are nucleated via a non-centrosomal pathway. Other cells, such as neurons, skeletal muscle cells, and epithelial cells, which do have MTOCs, possess arrays of microtubules not associated with a centrosome. [4] These non-centrosomal microtubule arrays can take on various geometries—such as those leading to the long, slender shape of myotubes, the fine protrusions of an axon, or the strongly polarized domains of an epithelial cell. Researchers think that the microtubules in these arrays are generated first by the γ-TuRCs, then transported via motor proteins or treadmilling to their desired location, and finally stabilized in the needed configuration through the action of various anchoring and cross-linking proteins.

In the cortical array of plants, as well as in the axons of neurons, scientists believe that microtubules nucleate from existing microtubules via the action of severing enzymes such as katanin. [5] Akin to the action of cofilin in generating actin filament arrays, the severing of microtubules by MAPs creates new (+) ends from which microtubules can grow. In this fashion dynamic arrays of microtubules can be generated without the aid of the γ-TuRC.

Studies using Xenopus egg extracts have identified a novel form of microtubule nucleation that generates fan-like branching arrays, in which new microtubules grow at an angle off of older microtubules. [6] Researchers suspect that this process involves non-centrosomal γ-TuRCs that bind to the sides of existing microtubules through the augmin complex. This method of microtubule-dependent microtubule nucleation leads to rapid amplification in microtubule number, and creates daughter microtubules with the same polarity as the mother microtubules they branch from. It has been postulated that such a method could be important in the generation of the mitotic spindle. [7]

Though the γ-TuRC is the primary protein cells turn to when faced with the task of nucleating microtubules, it is not the only protein postulated to act as a nucleation factor. Several other MAPs assist the γ-TuRC with the nucleation process, while others nucleate microtubules independently of γ-TuRC. In the branching nucleation described above, the addition of TPX2 to the egg extracts led to a dramatic increase in nucleation events—while in other studies, the protein XMAP215, in vitro, nucleated microtubule asters with its depletion in vivo reducing nucleation potential of centrosomes. [8] The microtubule-binding protein doublecortin, in vitro, nucleates microtubules—acting by binding to the side rather than the end of growing microtubules. [9] Thus a family of proteins acting as nucleation factors may be present in cells, lowering, through various mechanisms, the energetic cost of nucleating microtubules.

Several proteins are involved in formatting the γ-TuRC and temporal and spatial control of microtubule nucleation. These include, for example, coiled-coil proteins with structural functions and regulatory proteins, such as components of the Ran cycle. NEDD1 recruits the γ-TuRC to the centrosome by binding to γ-tubulin. [10] [11]


Erkännanden

This work was supported by the ANR-10-IDEX-0001–02 and the LabEx CelTisPhyBio ANR-11-LBX-0038. C.J. is supported by the Institut Curie, French National Research Agency (ANR) awards ANR-12-BSV2-0007 and ANR-17-CE13-0021, French Institut National du Cancer grants 2013-PL BIO-02-ICR-1 and 2014-PL BIO-11-ICR-1 and Fondation pour la Recherche Medicale grant DEQ20170336756. M.M.M. is supported by Fondation Vaincre Alzheimer grant FR-16055p. The authors thank L. Eshun-Wilson and E. Nogales (University of California, Berkeley, USA) for help with adapting Fig. 2c, and S. Bodakuntla, S. Gadadhar, Jijumon A.S. and M. Genova (Institut Curie), J. C. Bulinski (Columbia University, New York, USA), Q. Kimmerlin (EFS Strasbourg, France), T. Müller-Reichert (TU Dresden, Germany), M. V. Nachury (University of California, San Francisco, USA), D. Portran (Centre de Recherche en Biologie cellulaire de Montpellier, France) and M. Sirajuddin (Institute for Stem Cell Science and Regenerative Medicine, Bangalore, India) for instructive discussions.


Building microtubules - Biology

Microtubules are one of the major cytoskeletal components of neurons, essential for many fundamental cellular and developmental processes, such as neuronal migration, polarity, and differentiation. Microtubules have been regarded as critical structures for stable neuronal morphology because they serve as tracks for long-distance transport, provide dynamic and mechanical functions, and control local signaling events. Establishment and maintenance of the neuronal microtubule architecture requires tight control over different dynamic parameters, such as microtubule number, length, distribution, orientations, and bundling. Recent genetic studies have identified mutations in a wide variety of tubulin isotypes and microtubule-related proteins in many of the major neurodevelopmental and neurodegenerative diseases. Here, we highlight the functions of the neuronal microtubule cytoskeleton, its architecture, and the way its organization and dynamics are shaped by microtubule-related proteins.


Building microtubules - Biology

Mikrotubuli are one of the components of the cytoskeleton. They have a diameter of 25 nm and length varying from 200 nanometers to 25 micrometers. Mikrotubuli serve as structural components within cells and are involved in.
Hela artikeln >>>

These straight, hollow cylinders, composed of tubulin proteins, are found throughout the cytoplasm of all eukaryotic cells and perform a number of functions.
Hela artikeln >>>

Mikrotubuli are filamentous intracellular structsure that are responsible for . Because the functions of mikrotubuli are so critical to the existence of .
Hela artikeln >>>

As mitosis proceeds, mikrotubuli grow out from each centrosome with their plus . These clusters of mikrotubuli are called spindle fibers. .
Hela artikeln >>>

The Cell - A Molecular Approach is a basic text that provides an accessible introduction for undergraduate or medical students who are taking a first course on cell .
Hela artikeln >>>

This book is concerned with the progression from molecules to multicellular organisms. . De mikrotubuli in six specialized touch-sensitive neurons in the nematode .
Hela artikeln >>>

Med avseende på mikrotubuli, what is dynamic instability and why is it important to the cell? . How might mikrotubuli organize different functional domains? .
Hela artikeln >>>

Mikrotubuli may work alone, or join with other proteins to form more complex . Mikrotubuli can be seen in a bundle in this negatively stained preparation. .
Hela artikeln >>>

a,b-Tubulin heterodimer & mikrotubuli strukturera. Centriole & centrosome . A n a,b-tubulin heterodimer is the basic structural unit of mikrotubuli. .
Hela artikeln >>>

Spiral arranged mikrotubuli visible in a cross-section of an axopod from a heliozoan protist. . Mikrotubuli are long, vacant, unbranched cylinders about 25 .
Hela artikeln >>>

SEARCH FOR QUANTUM AND CLASSICAL MODES OF INFORMATION PROCESSING IN MICROTUBULES: . Among cytoskeletal components, mikrotubuli (MTs) are directly involved in .
Hela artikeln >>>

7.Cytoskeletons and Mikrotubuli . The organization of mammalian mikrotubuli is interesting from a mathematical point of view. .
Hela artikeln >>>

mikrotubuli n. Any of the proteinaceous cylindrical hollow structures that are distributed throughout the cytoplasm of eukaryotic cells, providing
Hela artikeln >>>

The internal framework of a cell, composed largely of actin filaments and mikrotubuli. . Mikrotubuli are slender cylindrical structures that exhibit a cytoplasmic .
Hela artikeln >>>

Mikrotubuli act as a scaffold to determine cell shape, and provide a . Mikrotubuli also form the spindle fibers for separating chromosomes during mitosis. .
Hela artikeln >>>

Biology4Kids.com! The web site that teaches the basics of biology and life science to everyone! . microfilaments are thin, mikrotubuli are thick, strong .
Hela artikeln >>>

mikrotubuli uploaded a new video (1 month ago) 320lonsdale . no rating 1 year ago 42 views mikrotubuli no rating. Added. 2:09 .
Hela artikeln >>>

Until now, researchers have imaged mikrotubuli at a resolution of only about 20 . The fundamental building block of mikrotubuli is a globular protein called .
Hela artikeln >>>

The most promising candidate for this function seemed to be the mikrotubuli. . Om mikrotubuli, indeed, conduct such signals one could hardly expect them to .
Hela artikeln >>>

Mikrotubuli and . Mikrotubuli are radially arrayed from the center of the cell and . at kinetochores the mikrotubuli are linked to chromosomes. .
Hela artikeln >>>


Titta på videon: Eukaryopolis - The City of Animal Cells: Crash Course Biology #4 (Augusti 2022).