[論文レビュー] How kinesin waits for ATP affects the nucleotide and load dependence of the stepping kinetics

Ryota Takaki, Mauro L. Mugnai+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2019

Microtubule and mitosis dynamics参考文献 60被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、キネシンがATPを待つ際に両方のヘッドが微小小管に結合している（2HB）か、あるいは片方のヘッドのみが結合している（1HB）かという論争を解消するための最小限の理論的モデルを開発した。ATP濃度および負荷の変動下で走行長、速度、ランダムネスパラメータを解析的に予測することで、ランダムネスパラメータの負荷およびヌクレオチド依存性が、2つの待機状態を一意に区別できることを示し、長年の論争を解消する定量的かつ実験的に検証可能な基準を提供した。

ABSTRACT

Dimeric molecular motors walk on polar tracks by binding and hydrolyzing one ATP per step. Despite tremendous progress, the waiting state for ATP binding in the well-studied kinesin that walks on microtubule (MT), remains controversial. One experiment suggests that in the waiting state both heads are bound to the MT, while the other shows that ATP binds to the leading head after the partner head detaches. To discriminate between these two scenarios, we developed a theory to calculate accurately several experimentally measurable quantities as a function of ATP concentration and resistive force. In particular, we predict that measurement of the randomness parameter could discriminate between the two scenarios for the waiting state of kinesin, thereby resolving this standing controversy.

研究の動機と目的

• キネシンがATPを待つ際に両方のヘッドが微小小管に結合している（2HB）か、あるいは片方のヘッドのみが結合している（1HB）かという長年の論争を解消すること。
• 走行長、速度分布、ランダムネスパラメータといった実験的観測量が、2HBおよび1HBのATP待機状態を区別できるかどうかを特定すること。
• 実験的に測定可能な量を用いて、競合するモデルを区別する定量的かつ検証可能な予測を提供すること。
• 負荷および変動するヌクレオチド濃度下でのキネシンの化学的力学的結合およびステッピングキネティクスにおけるATP待機状態の役割を明確にすること。

提案手法

• 両方のヘッドが結合している（2HB）と片方のヘッドのみが結合している（1HB）という2つの明確に異なるATP待機状態を組み込んだ、キネシンステッピングの最小限の確率的モデルを構築する。
• 第一到達時間理論およびマスター方程式形式を用いて、負荷FおよびATP濃度[T]の関数として走行長分布P(n)、速度分布P(v)、およびランダムネスパラメータ（化学的rCおよび機械的rM）を解析的に導出する。
• 負荷下での後退ステップを含むステッピングのキネティクスをモデル化するために、第一到達時間理論およびマスター方程式形式を適用する。
• 機械的ランダムネスパラメータrMを負荷Fおよび[T]の関数として導出し、これがATP待機状態に敏感であることを示す。
• 2HBおよび1HBモデルの複数の観測量における予測を比較し、特徴的な差を同定する。
• rMのFおよび[T]依存性が2つのモデルで本質的に異なるため、実験的プローブとしての可能性が示唆される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 走行長分布P(n)は、2HBおよび1HBのATP待機状態を区別できるか？
• RQ2 2HBモデルと1HBモデルにおいて、外部負荷FおよびATP濃度[T]が速度分布P(v)に与える影響は何か？
• RQ3 負荷FおよびATP濃度[T]を変化させた場合、ランダムネスパラメータrMはATP待機状態に一意に敏感か？
• RQ4 rMのFおよび[T]依存性を実験的に測定することで、キネシンのATP待機状態に関する論争を解消できるか？
• RQ5 生理的負荷およびATP条件下における2HBおよび1HBモデルが予測するステッピングキネティクスの定量的差異は何か？

主な発見

• 走行長分布P(n)はATP待機状態に依存しないため、2HBおよび1HBモデルを区別する有効な指標とはならない。
• 負荷下では速度分布P(v)は二峰性を示し、2HBおよび1HBモデル間で顕著な差が生じる。特に、負荷Fの関数としての形状およびピーク位置に顕著な差が観察される。
• 機械的ランダムネスパラメータrMは、2HBおよび1HBモデルで負荷FおよびATP濃度[T]に対して本質的に異なる依存性を示す。
• rMのFおよび[T]依存性は、予測上、一意に診断的である：2HBモデルでは[T]の増加に伴いrMが単調に減少するが、1HBモデルでは非単調でベル型の依存性を示す。
• 本モデルは、rMが単一分子ステッピング軌跡から最小限のデータ解析バイアスで定量的に測定可能であると予測しており、実験的検証に非常に適している。
• 本研究では、ランダムネスパラメータrMが、キネシンのATP待機状態に関する論争を実験的に解消する最も有望な観測量であると同定した。