[論文レビュー] Diffusible crosslinkers cause superexponential friction forces

Harmen Wierenga, Pieter Rein ten Wolde|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2019

Microtubule and mitosis dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、微小小管の滑り運動における、拡散性の非能動的結合因子が、結合因子の飛び移りに伴う自由エネルギー障壁の乗り越えによって引き起こされるまれな離散的ジャンプに起因する、超指数関数的摩擦力の生成を明らかにした。結合因子の密度が上昇するに従い、空間的排除効果によって摩擦係数は超指数関数的に増加する。このメカニズムにより、モーターたんぱく質のみでは達成できない、動的構造の安定化が可能となる。

ABSTRACT

The mitotic spindle lies at the heart of the spatio-temporal control over cellular components during cell division. The spindle consists of microtubules, which are not only crosslinked by motor proteins but also by passive binding proteins. These passive crosslinkers stabilize the highly dynamic mitotic spindle by generating friction forces between sliding filaments. However, it remains unclear how the friction coefficient depends on the number of crosslinkers and the size of the overlap between the microtubules. Here, we use theory and computer simulations to study the friction between two filaments that are crosslinked by passive proteins, which can hop between neighboring binding sites while physically excluding each other. The simulations reveal that the movement of one microtubule relative to the other is limited by free-energy barrier crossings, causing rare and discrete jumps of the microtubule that span the distance between adjacent crosslinker binding sites. We derive an exact analytical expression for the free-energy landscape and identify the reaction coordinate that governs the relative movement, which allows us to determine the effective barrier height for the microtubule jumps. Both through simulations and reaction rate theory, we make the experimentally testable prediction that the friction between the microtubules increases superexponentially with the density of crosslinkers.

研究の動機と目的

• 有丝分裂紡錘体内における滑る微小小管間の摩擦力の起源を理解すること、特に非能動的かつ拡散性の結合因子によって生じる摩擦力に焦点を当てる。
• 摩擦係数が結合因子密度および重なり長さに依存する理論的記述が不足しているという問題を解決すること。
• 結合因子密度の上昇に伴い摩擦力が指数関数的か、超指数関数的に増加するかを特定すること、特に空間的排除制約下での挙動に注目する。
• 微小小管の滑りを支配する自由エネルギーの地形を記述する解析的式を導出すること。反応座標と有効障壁高さを同定する。

提案手法

• 結合因子の結合サイト間を移動する過程として、微小小管の滑りを、1つのトゥブリンジマー長さの離散的ジャンプによって駆動されるプロセスとしてモデル化する。
• 反応速度論を用いて相対的移動を自由エネルギー障壁の乗り越えとして記述し、障壁高さは結合因子の配置の統計力学によって決定する。
• 重なり合う微小小管上に配置された結合因子の分布の組み合わせ統計を用いて、自由エネルギー地形の正確な解析的式を導出する。
• 自由エネルギー障壁高さに対してテイラー展開と指数近似を適用し、低密度および高密度の両領域を捉える。
• コンピュータシミュレーションを用いて結果を検証し、解析的近似と正確な数値計算による障壁高さを比較する。
• 結合因子同士の空間的排除および熱的拡散を組み込み、生物学的条件下での現実的モデルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡散性非能動的結合因子の密度が、2本の滑る微小小管間の摩擦係数にどのように影響するか？
• RQ2 観察された摩擦力の指数的増加の起源は何か？高密度領域では超指数関数的挙動に移行するか？
• RQ3 結合因子同士の空間的排除効果が、自由エネルギー地形および微小小管の滑りに必要な有効障壁高さにどのように影響するか？
• RQ4 微小小管の相対的移動は、正確にまれな離散的ジャンプとして記述可能か？ジャンプサイズを決定するのは何か？
• RQ5 低密度および高密度の両領域にわたって摩擦係数を捉える解析的式は何か？

主な発見

• 空間的排除効果により、結合因子密度の上昇に伴い摩擦係数が超指数関数的に増加することが判明。これは、従来想定されていた指数関数的依存関係とは矛盾する。
• 微小小管の相対的滑りは、隣接する結合因子結合サイト間の距離に相当する、正確に1つのトゥブリンジマー長さの離散的ジャンプによって生じる。
• 結合因子配置の組み合わせ統計を用いて、自由エネルギー障壁高さを解析的に導出。反応座標は移動性微小小管上に存在する結合因子数である。
• 低密度領域では、障壁高さは結合因子数に比例して線形に増加し、独立した飛び移りと整合する。高密度領域では、排除効果が支配的となり、超指数関数的増加が生じる。
• 式S.44に示される解析的近似は、広い密度範囲において正確な障壁高さを捉えており、2次までのテイラー展開を上回る性能を示す。
• 本モデルは、摩擦力の測定可能な超指数関数的増加を予測し、非能動的結合因子の機能が紡錘体安定性に与える影響を実験的に検証可能なシグネチャーを提供する。