[논문 리뷰] How kinesin waits for ATP affects the nucleotide and load dependence of the stepping kinetics

Ryota Takaki, Mauro L. Mugnai외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 20.

Microtubule and mitosis dynamics참고 문헌 60인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 미세소관에 양쪽 머리가 결합된 상태(2HB)에서 ATP를 기다리는지, 아니면 한쪽 머리만 결합된 상태(1HB)에서 기다리는지에 대한 논란을 해결하기 위해 최소 이론 모델을 개발한다. 다양한 ATP 농도와 부하 조건에서 달성 가능한 달리기 길이, 속도, 무작위성 매개변수를 분석적으로 예측함으로써, 무작위성 매개변수의 부하 및 뉴클레오타이드 의존성이 두 가지 기다림 상태를 유일하게 구분할 수 있음을 보여주며, 장기적인 논란을 해결할 수 있는 정량적이고 실험적으로 검증 가능한 기준을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미세소관에 양쪽 머리가 결합된 상태(2HB)에서 ATP를 기다리는지, 아니면 한쪽 머리만 결합된 상태(1HB)에서 기다리는지에 대한 장기적인 논란을 해결하기 위해.
• 달리기 길이, 속도 분포, 무작위성 매개변수와 같은 실험적 관측 가능 변수들이 2HB 및 1HB ATP 기다림 상태를 구분할 수 있는지 확인하기 위해.
• 경쟁하는 모델을 식별하기 위해 실험적으로 측정 가능한 양을 사용하여 정량적이고 검증 가능한 예측을 제공하기 위해.
• 부하 및 다양한 뉴클레오타이드 농도 조건에서 ATP 기다림 상태가 kinesin의 화학기계적 결합 및 진행 동역학에 미치는 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 2HB(양쪽 머리가 결합된 상태)와 1HB(주로 앞서는 머리만 결합된 상태)라는 두 가지 다른 ATP 기다림 상태를 명시적으로 포함하는 kinesin 진행의 최소 스토케스틱 모델을 개발한다.
• 달리기 길이 분포 P(n), 속도 분포 P(v), 무작위성 매개변수(화학적 rC 및 기계적 rM)를 부하 F 및 ATP 농도 [T]의 함수로 분석적으로 유도한다.
• 첫 번째 통과 시간 이론과 마스터 방정식 형식을 사용하여, 부하 조건에서의 후진 단계를 포함한 진행 동역학을 모델링한다.
• 기계적 무작위성 매개변수 rM을 부하 F 및 [T]의 함수로 유도하며, 이는 ATP 기다림 상태에 민감하게 반응한다.
• 다양한 관측 가능 변수를 통해 2HB 및 1HB 모델의 예측를 비교하여 특징적인 차이점을 식별한다.
• rM의 F 및 [T] 의존성이 두 모델 간에 질적으로 다르며, 이는 실험적 탐색의 핵심 도구가 될 수 있음을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 달리기 길이 분포 P(n)는 2HB 및 1HB ATP 기다림 상태를 구분할 수 있는가?
• RQ2 2HB 및 1HB 모델에서 외부 부하 F 및 ATP 농도 [T] 조건에 따라 속도 분포 P(v)는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 부하 및 ATP 농도를 변화시킬 때 무작위성 매개변수 rM은 ATP 기다림 상태에 유일하게 민감하게 반응하는가?
• RQ4 rM의 F 및 [T] 의존성을 실험적으로 측정하여 kinesin의 ATP 기다림 상태 논란을 해결할 수 있는가?
• RQ5 생리적 부하 및 ATP 조건 하에서 2HB 및 1HB 모델이 예측하는 진행 동역학의 정량적 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 달리기 길이 분포 P(n)는 ATP 기다림 상태에 민감하지 않아, 2HB 및 1HB 모델 간의 구별에 효과적이지 않다.
• 부하 조건에서 속도 분포 P(v)는 이중 최고점을 보이며, 특히 부하 F에 따른 형태 및 피크 위치에서 2HB 및 1HB 모델 간에 뚜렷한 차이를 보인다.
• 기계적 무작위성 매개변수 rM은 2HB 및 1HB 모델에서 부하 F 및 ATP 농도 [T] 의존성이 질적으로 다르게 나타난다.
• rM의 F 및 [T] 의존성은 유일하게 진단 가능한 특성을 보이며, 2HB 모델은 [T] 증가에 따라 rM이 단조 감소하는 반면, 1HB 모델은 비단조적이며 종형 곡선 형태의 의존성을 보인다.
• 모델은 단일 분자 진행 궤적에서 최소한의 데이터 분석 편향을 가진 채로 rM을 정량적으로 측정할 수 있음을 예측하며, 이는 실험적 검증에 이상적인 조건을 제공한다.
• 이 연구는 무작위성 매개변수 rM을 kinesin의 ATP 기다림 상태 논란을 실험적으로 해결할 수 있는 가장 유망한 관측 가능 변수로 규명한다.