[논문 리뷰] Computer Simulations Reveal Motor Properties generating stable anti-parallel Microtubule interactions

François Nédélec|arXiv (Cornell University)|2002. 09. 16.

Microtubule and mitosis dynamics인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 확률적 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 두 개의 아스터 사이에서 반대 방향 미세소관 겹침을 안정화시키는 올리고머리 모터 복합체의 작용을 탐구한다. 특히 반대 방향으로 작용하는 모터의 조합을 체계적으로 변화시켜, 양극성 및 음극성 방향 모터로 구성된 이종 복합체가 미세소관 분열판의 기하학적 구조를 모방하는 안정적이고 지속적인 반대 방향 상호작용을 생성할 수 있음을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• oligomeric motor complexes로 연결된 두 개의 미세소관 아스터 사이에서 발생할 수 있는 안정 상태의 구성을 조사하기 위해.
• 미세소관 분열판에서 관찰되는 것과 유사한 안정적인 반대 방향 미세소관 겹침을 가능하게 하는 모터 특성을 규명하기 위해.
• 양방향 성질을 가진 모터 복합체가 반대 방향으로 작용할 경우 지속적이고 융합되지도, 분리되지도 않는 상호작용을 생성할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 동적인 아스터에서 안정적인 미세소관 겹침 형성에 필요한 일반적인 기계적 및 동역학적 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 확률적 시뮬레이션을 통해 20~80개의 동적이고 탄성 있는 미세소관을 포함하는 두 개의 아스터를 모델링하며, 미세소관의 양끝이 동적으로 변화한다.
• oligomeric motor complexes는 두 개의 미세소관에 결합하고 선형 탄성 법칙에 따라 힘을 작용시킨다: F = K · (Y – X), 여기서 K는 강성이고 ε = Fmax/K는 변형량이다.
• 모터의 매개변수(힘, 속도, 결합/해리 비율)는 생물학적으로 타당한 범위에서 무작위로 추출하여 다양한 모터 유형을 시뮬레이션한다.
• 시뮬레이션은 1000초 동안 진행되며, 시간 간격은 10 ms이며, 점성 저항과 열운동 노이즈 하에서 미세소관의 위치와 모터의 결합 상태를 추적한다.
• 가상의 스크리닝을 통해 오직 500초의 평형 상태 이후로도 전체 1000초 동안 최소한 한 개의 모터 복합체가 두 아스터를 연결하는 지속적인 상호작용만을 선택한다.
• 유체역학적 저항(이동도 ∝ 1/L), 37°C에서 校정된 브라운 운동 힘, 그리고 미세소관의 길이를 유지하기 위한 에너지 보정 항목을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반대 방향으로 작용하는 모터 복합체는 두 아스터 사이의 반대 방향 미세소관 겹침을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 지속적인 반대 방향 상호작용을 위해 필요한 모터의 동역학적 및 기계적 매개변수는 무엇인가?
• RQ3 모터 농도, 이동성, 속도가 아스터 상호작용의 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 순수하게 동일한 이형체 모터(예: 오직 양극성 또는 음극성 방향)는 안정적인 반대 방향 겹침을 유도하는가, 아니면 오직 융합 또는 분리만을 초래하는가?
• RQ5 모터의 강성과 힘-속도 관계는 겹침 아스터의 안정 상태 구성을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 40%의 시뮬레이션에서 지속적인 상호작용이 발생하였으며, 안정적인 반대 방향 겹침은 오직 양극성 및 음극성 방향 모터를 모두 포함한 모터 복합체에서 관찰되었다.
• 반대 방향으로 작용하는 모터로 구성된 이종 복합체(예: u-v)는 안정적인 반대 방향 겹침을 생성하였고, 동종 복합체(u-u 또는 v-v)는 오직 융합 또는 완전한 분리만을 초래하였다.
• 안정적인 상호작용는 결합/해리 비율과 힘 생성의 균형이 필요했으며, 낮은 해리 비율은 낮은 결합 비율을 상쇄했고, 높은 모터 농도는 낮은 결합 비율을 보완하였다.
• 적절한 속도가 아닌 모터—효율성과 관계없이—지속적인 상호작용을 생성하지 못했으며, 이는 속도가 결정적인 요소임을 시사한다.
• 모터가 하중을 받을 경우 탈락을 방지하기 위해 힘-탄성 관계에서 안전 계수 3이 필요했다 (dim·K·kBT < 1/9 Fmax²).
• 실제 키티신 매개변수(Fmax ~5 pN, Vmax ~0.8 µm/s, K ~100 pN/µm)를 기준으로 시뮬레이션을 수행하였지만, 일반적인 행동을 탐색하기 위해 매개변수 범위를 무작위로 설정하였다.