Journal Club (October 30, 2023)

Nature Materials volume 20, pages883–891 (2021) Article Published: 21 January 2021

Self-repair protects microtubules from destruction by molecular motors (自己修復が分子モーターによる破壊から微小管を守る)

Sarah TriclinDaisuke InoueJérémie GaillardZaw Min HtetMorgan E. DeSantisDidier PortranEmmanuel DeriveryCharlotte AumeierLaura SchaedelKarin JohnChristophe LeterrierSamara L. Reck-PetersonLaurent Blanchoin & Manuel Théry

Abstract

Microtubule instability stems from the low energy of tubulin dimer interactions, which sets the growing polymer close to its disassembly conditions. Molecular motors use ATP hydrolysis to produce mechanical work and move on microtubules. This raises the possibility that the mechanical work produced by walking motors can break dimer interactions and trigger microtubule disassembly. We tested this hypothesis by studying the interplay between microtubules and moving molecular motors in vitro. Our results show that molecular motors can remove tubulin dimers from the lattice and rapidly destroy microtubules. We also found that dimer removal by motors was compensated for by the insertion of free tubulin dimers into the microtubule lattice. This self-repair mechanism allows microtubules to survive the damage induced by molecular motors as they move along their tracks. Our study reveals the existence of coupling between the motion of molecular motors and the renewal of the microtubule lattice.

微小管が不安定になるのは、チューブリン二量体の相互作用のエネルギーが低いためで、成長する高分子は分解状態に近い。分子モーターはATP加水分解を利用して機械的な仕事を生み出し、微小管上を移動する。このことから、歩くモーターが生み出す機械的な仕事が、二量体の相互作用を壊し、微小管分解の引き金になる可能性が出てきた。われわれは、試験管内で微小管と動く分子モーターの相互作用を研究することにより、この仮説を検証した。その結果、分子モーターはチューブリン二量体を格子から除去し、微小管を急速に破壊することがわかった。また、モーターによる二量体の除去は、遊離したチューブリン二量体の微小管格子への挿入によって補われることもわかった。この自己修復機構により、微小管は分子モーターによって誘導された損傷を受けながらも、その軌道に沿って移動することで生き延びることができる。われわれの研究は、分子モーターの運動と微小管格子の更新との間に結合が存在することを明らかにした。

Introduction

分子モーターは微小管の伸長と収縮を変化させることができる。キネシンは、微小管末端での二量体付加や高分子複合体のリクルートなどのダイナミクスを制御することで、微小管の伸長に影響を与える。微小管ベースのモーターのもう一つのファミリーであるダイニンは、微小管のプラス端を捕捉し、ゆっくりとした微小管の解重合を誘導することができる。キネシン-13とキネシン-8ファミリーは、微小管末端の二量体を除去することにより、微小管を積極的に解重合する。これらのモーターはシャフトに沿って移動し、微小管末端に到達すると微小管のダイナミクスを調節する。しかし、熱による力はチューブリン二量体の格子からの除去を促進するのに十分であり、また、動かない状態に固定されたモーターは微小管格子を拡張することができることから、動くモーターが生み出す機械的な仕事が微小管シャフトの安定性とダイナミクスに影響を与える可能性が示唆される。

In vitroの研究では、微小管がモーターの層を滑走する際に、プロトフィラメントや二量体を失う可能性があることが示された。しかしこれらの実験では、分子モーターによって生じる機械的力に関するほとんどのin vitro研究と同様に、微小管の解重合を阻止するために微小管が安定化されていた。これらの条件は、成長する微小管末端でチューブリン二量体が取り込まれた後、GTP-チューブリンがGDP-チューブリンに急速に加水分解される生理的条件を反映していない。GDP-チューブリンの格子はGTP-チューブリンの格子よりも安定性が低いため、格子の解体は初期の実験で示唆されたよりも頻繁に起こる可能性がある。そこで我々は、キネシンとダイニンのモーターが微小管に与える機械的な力の影響を、格子がGDP-チューブリンで構成されるような条件下で調べることにした。まず微小管の「グライディング・アッセイ」を用い、小型フローセルのガラス面にモーターを取り付けた。微小管とATPを加えると、活性モーターが生み出す力によって、微小管がモーターでコーティングされた表面を滑るように移動する。

a, Schematic representation of the different types of microtubules used in gliding assays. Taxol-treated (purple) microtubules (i) and GMPCPP-microtubules (magenta dimers; ii) are stabilized along their length. Capped GDP-microtubules (iii) are stabilized at their ends (magenta dimers) but the central part (green dimers) is not stabilized. Molecular motors (yellow) are attached to the cover glass (blue) and propel the microtubules along the glass surface in the presence of ATP. b, Images of gliding microtubules when motors are activated by the addition of ATP (time t = 0, top row) and 15 minutes later (t = 15 min, bottom row) in the three conditions described in a. Scale bar, 50 µm. c, Quantification of microtubule length variations in the experiments shown in b. The microtubule lengths were measured for all microtubules in the 600-µm-wide fields every minute over 15 minutes. Values were normalized with respect to the initial length. Number of independent experiments N = 2; taxol-treated microtubules n = 55; GMPCPP-microtubules n = 42; capped GDP-microtubules n = 42. Error bars represent standard deviation. d, Schematic representation of microtubule disassembly induced by the loss of the cap. Two examples of microtubules that disassembled from an end during the gliding assay are shown. Images are vertical montages from a video where images were acquired every 5 s. Scale bar, 10 µm. e, Schematic representation of microtubule disassembly induced by breakage of the central region of the microtubule. Four examples of microtubules that break and disassemble during the gliding assay are shown. Images are vertical montages from a video where images were acquired every 5 s. Green arrows point to bending events that precede the weakening and eventual breakage of the microtubule. Scale bar, 10 µm.
a, Schematic representation of the gliding assay of capped GDP-microtubules on kinesin-1 in the absence (left) or presence (right) of free non-labelled tubulin dimers. b, Images of gliding microtubules when motors are activated by the addition of ATP (t = 0, top row) and 15 minutes later (t = 15 min, bottom row) in the two conditions described in a. Scale bar, 50 μm. c, Quantification of microtubule length variations in the experiments shown in b. The microtubule lengths were measured for all microtubules in the 600-µm-wide fields every minute for 15 minutes. Values were normalized with respect to the initial length. Data in the absence of free tubulin dimers are shown in red and correspond to the data shown in Fig. 1b; data in the presence of 14 µM free dimers are shown in blue. Values were normalized with respect to the initial intensity. Number of independent experiments N = 2, without free tubulin, n = 42; with free tubulin, n = 74; where n is the number of microtubules. Scale bar, 50 μm. Error bars represent standard deviation. df, The same images as in ab and c, but in the presence of yeast dynein instead of kinesin-1. Number of independent experiments N = 2, without free tubulin, n = 24; with free tubulin, n = 12. Error bars represent standard deviation. g, Schematic representation of the motility assay in the absence (left) and presence (right) of free non-labelled tubulin dimers. h, Kymograph showing the position of fluorescent Klp2 along a microtubule over time. The presence of free dimer did not interfere with the ability of the motor to walk towards the microtubule minus end. i, Image sequences show microtubules after the addition of Klp2 motors in the absence (left) or presence (right) of 14 µM free tubulin dimers. Images were taken every 2 min. Scale bar, 10 µm. j, Survival curve of microtubules in the presence of molecular motors and absence of free tubulin (green), in the presence of molecular motors and 14 µM free tubulin dimers (blue) or in the absence of motors and presence of 14 µM free tubulin dimers (red). Data were acquired in the conditions described in iN = 1; no motor, n = 108; 10 nM Klp2 with free tubulin, n = 70; 10 nM Klp2 without free tubulin, n = 212.

遊離したチューブリン二量体が微小管シャフトに組み込まれる様子は、同様の実験戦略を用いた運動アッセイでも可視化することができた(図5e)。キネシン-1あるいはKlp2が微小管に沿って移動した後、赤色微小管の軸に沿って緑色のチューブリン二量体がはっきりと伸びているのが、微小管の80%(n = 85)に認められた(図5fおよび補足ビデオ12)。修復された部位の頻度はグライディングアッセイで測定されたものと同様であったが、修復された部位の大きさはより大きかった(図5g)。赤色蛍光の強度が緑色蛍光の減少と相関しているように見える場合もあったが、緑色格子の標識頻度が低いため、必ずしもそうではなかった(補足図6)。これらの結果を総合すると、ウォーキングモーターは微小管格子を切断し、遊離したチューブリン二量体の取り込みを触媒し、格子を修復して分解から守ることができる。このデータから、モーターの走行を支えている微小管の構成要素は絶えず更新されていると推測される。

現時点では、格子の破壊と修復の詳細な分子メカニズムについては推測するしかない。時間の経過とともに格子修復部位が増加していること(図5d、上)は、モーターが転位などの既存の欠損部での二量体の交換を促進するだけでなく、チューブリンの除去と回転の部位をさらに生成しているという考えを裏付けている。対照的に、修復部位の長さが一定であること(図5d、下)と、その範囲がマイクロメートルであること(図5d,g)から、モーター活動の結果ではなく、欠陥が消滅して交換ダイナミクスが停止するまでの、二量体の消失と交換の集団的プロセスによって決定されることが示唆される。

Conclusions


モーターによる微小管の破壊と修復が細胞内で起こるかどうかは、まだ確立されていない。GTP-チューブリンや、CLIP-170(cytoplasmic linker protein of 170 kDa)やCLASP(cytoplasmic linker associated protein)のような微小管修復を仲介する微小管関連タンパク質の局在は、生きた細胞における修復部位を同定するための代用品として役立つ。これらの部位は、高いコンフォメーションストレスを受けた微小管に沿って多数存在するが、軸索の直線微小管沿いにも存在し、そこではモーターを使った輸送が特に激しい。重要なことは、新しいGTP-チューブリン二量体が組み込まれると、微小管に沿ってレスキュー部位が生成され、その寿命が延びることである。このことは、ダイニンとキネシンのモーターが、それらが歩いている微小管を選択的に安定化させる引き金となり、微小管ネットワークにおける優先的なトラックの定義と細胞の極性の確立に役立っている可能性を提起する。

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