[論文レビュー] Computer Simulations Reveal Motor Properties generating stable anti-parallel Microtubule interactions

François Nédélec|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2002

Microtubule and mitosis dynamics被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、確率的コンピュータシミュレーションを用いて、2つの星状体間の反並列微小小管重なりをオリゴマー性モーター複合体がどのように安定化するかを調査した。モーター特性を体系的に変化させることで、特に反対方向に移動するモーターを組み合わせた結果、プラスおよびマイナス末端指向のモーターからなるヘテロコンプレックスは、有丝分裂 spindle の幾何学的形状を模倣する安定で持続的な反並列相互作用を生成できることを明らかにした。

ABSTRACT

An aster of microtubules is a set of flexible polar filaments with dynamic plus-ends, which irradiate from a common location at which the minus ends of the filaments are found. Processive soluble oligomeric motor complexes can bind simultaneously to two microtubules, and thus exert forces between two asters. Using computer simulations, I have explored systematically the possible steady-state regimes reached by two asters under the action of various kinds of oligomeric motors. As expected, motor complexes can induce the asters to fuse, for example when the complexes consist only of minus-end directed motors, or to fully separate, when the motors are plus-end directed. More surprisingly, complexes made of two motors of opposite directionalities can also lead to anti-parallel interactions between overlapping microtubules that are stable and sustained, like those seen in mitotic spindle structures. This suggests that such hetero-complexes could have significant biological role, if they exist in the cell.

研究の動機と目的

• オリゴマー性モーター複合体によって接続された2つの微小小管星状体の間で生じ得る安定状態の配置を調査すること。
• 有丝分裂 spindle に類似した安定な反並列微小小管重なりを実現するためのモーター特性を特定すること。
• 方向性が相反する二価モーター複合体が、持続的で融合も分離もしない相互作用を生じるかどうかを検討すること。
• 動的な星状体における安定な微小小管重なり形成のための一般的な力学的および運動論的要件を同定すること。

提案手法

• 確率的シミュレーションにより、動的かつ柔軟な微小小管（20〜80本）から成る2つの星状体をモデル化した。微小小管のプラス末端は動的である。
• オリゴマー性モーター複合体は2本の微小小管に結合し、線形弾性に基づく力（F = K · (Y – X)）を発揮する。ここで K は剛性、ε = Fmax/K は延長量である。
• モーターのパラメータ（力、速度、結合/解離率）は生物学的に妥当な範囲からランダムに抽出し、多様なモーター型を模擬した。
• 1000秒間、10 ms の時間ステップでシミュレーションを実行し、粘性抵抗および熱的ノイズの下で微小小管の位置とモーターの結合状態を追跡した。
• 仮想スクリーニングにより、平衡化後500秒以降に1000秒間、両星状体を少なくとも1つのモーター複合体が連結し続けた「持続的相互作用」のみを選別した。
• 流体抵抗（移動度 ∝ 1/L）、37°C に合わせたブラウン運動力、微小小管の長さを保存する補正をモデルに組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 方向性が相反するモーター複合体は、2つの星状体間の反並列微小小管重なりを安定化させることができるか？
• RQ2 持続的な反並列相互作用を実現するためのモーターの運動論的および力学的パラメータは何か？
• RQ3 モーター濃度、プロセッシビティ、速度は、星状体相互作用の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 純粋に相同二量体モーター（例：プラス末端指向のみ、またはマイナス末端指向のみ）では、安定な反並列重なりが得られるか、それとも融合または分離に終わるか？
• RQ5 モーターの剛性および力-速度関係は、重なり星状体の安定状態配置を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 40%のシミュレーションで持続的相互作用が得られ、安定な反並列重なりは、モーター複合体にプラスおよびマイナス末端指向のモーターが両方含まれている場合にのみ観察された。
• 相反する方向性を持つモーターからなるヘテロコンプレックス（例：u-v）は安定な反並列重なりを生成したが、相同コンプレックス（u-u または v-v）は、融合または完全な分離に終わった。
• 安定な相互作用には、結合/解離率と力の発生のバランスが必要であった。低解離率は低結合率を補償し、高濃度のモーターは低結合率を補償した。
• 適切でない速度を持つモーターで、いかに効率的であっても、持続的相互作用を生じさせなかった。これは、速度が決定的要因であることを示唆した。
• 負荷下でのモーターの離脱を防ぐために、力-弾性関係に3倍の安全係数（dim·K·kBT < 1/9 Fmax²）が必要であった。
• Fmax ~5 pN、Vmax ~0.8 µm/s、K ~100 pN/µm の実際のキネシンパラメータをガイドとして用いたが、パラメータ範囲をランダム化して一般化された挙動を探索した。