Glödtrådspolymerer som kallas mikrotubuli spelar viktiga roller i kromosomsegregation och molekyltransport. Ett LMU -team har nu undersökt hur mikrotubuli längder varierar som svar på förändringar i tillgängligheten av deras proteinkomponenter.

Celler har ett inre skelett, vilket gör att de kan ändra sin form och aktivt migrera. Detta cytoskelet består av ett antal filamentsystem, varav mikrotubuli är en. Cylindriska mikrotubuli har väggar som består av 13 protofilament, var och en bestående av heterodimera subenheter innehållande två besläktade tubulinproteiner. Mikrotubuli ger inte bara mekanisk stabilitet åt cellerna och dikterar deras former, de fungerar också som ett intracellulärt transportnät. Vidare, mikrotubuli är de viktigaste beståndsdelarna i den mitotiska spindeln, som förmedlar ordnad segregering av de replikerade kromosomuppsättningarna i de två dottercellerna under celldelning. Alla dessa funktioner kräver dynamisk reglering av mikrotubuli längder. En grupp LMU -fysiker under ledning av professor Erwin Frey, i samarbete med professor Stefan Diez (tekniska universitetet i Dresden och Max Planck -institutet för molekylär cellbiologi och genetik, Dresden), har nu utvecklat en modell där motorproteinerna som ansvarar för transport av last längs protofilament också tjänar till att reglera mikrotubuli längder. Modellen beskrivs och valideras experimentellt i journalen Fysiska granskningsbrev .

I tidigare arbeten, Freys grupp hade visat att densiteten av molekylmotorer som är fästa vid filamenten har en inverkan på om mikrotubuli växer eller krymper, och att deras effekt beror på filamentets längd. Ju längre mikrotubuli, desto större antal motorproteiner den kan rymma. Motormolekyler som kallas kinesiner fortsätter längs protofilamentet, steg från en dimer till nästa. När ett kinesinprotein når slutet, den lossnar från glödtråden som tar tubulinet till vilket den är bunden. Följaktligen, om motortätheten på protofilamentet är hög, krympning kommer att fortsätta. Å andra sidan, en ny tubulindimer kan binda till slutet. I slutet, motorberoende krympning konkurrerar således med tillväxten av mikrotubuli. "Därav, förutsatt att resurser (dvs. både tubuliner och molekylmotorer) finns närvarande, det kommer att finnas en filamentlängd vid vilken tillväxttakten och krympningen balanserar ut, säger Matthias Rank, första författaren till studien. Dock, i en riktig cell, dessa komponenter är osannolikt tillgängliga i obegränsade mängder. Till exempel, bildandet av den mitotiska spindeln utarmar signifikant antalet fria tubulinmolekyler i den lösliga fasen av cytoplasman. I den nya studien, forskarna undersökte effekterna av sådan resursbegränsning på regleringen av mikrotubuli längd.

Med hjälp av simuleringar baserade på en matematisk modell av polymerdynamik, de fann att under dessa förhållanden två olika mekanismer för längdreglering spelar in. Vilket av dessa som blir dominant beror på de relativa koncentrationerna av tubulinerna och motorproteinerna:I ett visst koncentrationsintervall fungerar den dynamiska jämvikten mellan tillväxt och krympning av mikrotubuli som om det inte vore begränsande resurser. "Men saker är annorlunda när en av de nödvändiga resurserna är bristfällig", säger Rank. "Så är fallet, till exempel, när det inte finns tillräckligt med motormolekyler för att utlösa snabb depolymerisering av protofilamenten. "I denna situation, mikrotubuli fortsätter att växa tills koncentrationen av tubuliner faller under ett kritiskt värde. Vidare, det finns ett koncentrationsintervall där båda processerna är aktiva. "I detta fall, vi observerar att mikrotubuli finns i två storlekar och att de ibland växlar mellan de två längderna ", säger Frey. "I fysiska termer, Detta kan beskrivas som en fasövergång. "In vitro-experiment utförda av deras medförfattare i Dresden har bekräftat förekomsten av denna övergångsregim som förutspås av München-modellen. Teamet är övertygat om att deras resultat även är tillämpliga på andra polymersystem , och de misstänker att begränsningen av nyckelresurser kan spela en viktig roll för att reglera andra cellulära processer.