[논문 리뷰] Kinesin Motor Transport is Altered by Macromolecular Crowding and Transiently Associated Microtubule-Associated Proteins

Leslie Conway, Jennifer L. Ross|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 11.

Microtubule and mitosis dynamics참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 유체 내에서 단일 키티신-1 모터 운반에 미세분자 농축과 일시적으로 결합하는 마이크로튜불 관련 단백질(MAPs)이 미치는 영향을 조사한다. 관성 농축제와 동적인 MAPs를 포함하는 재구성 시스템을 사용하여, 농축은 키티신의 이동 거리를 증가시키지만, 탈수 효과로 인해 비특이적 확산을 증가시키는 것으로 나타났으며, 일시적으로 결합하는 MAPs는 앞서 가는 운동을 느리게 하지만 모터의 결합 시간에는 영향을 주지 않았다—이것은 안정적으로 결합하는 MAPs(예: 타우)와 대조된다.

ABSTRACT

Intracellular transport of vesicular cargos, organelles, and other macromolecules is an essential process to move large items through a crowded, and inhomogeneous cellular environment. In an effort to dissect the fundamental effects of crowding and an increasingly complex cellular environment on the transport of individual motor proteins, we have performed in vitro reconstitution experiments with single kinesin-1 motors walking on microtubules in the presence of crowding agents and transient microtubule-associated proteins that more closely emulate the cellular environment. Macromolecular crowding due to inert polymers caused enhanced run lengths of motors, but displayed an increased tendency for non-specific motor association and diffusion, most likely due to depletion interactions. We found that transiently bound associated proteins slowed forward motion, but did not drastically affect the association times, in opposition to previously reported obstacle properties of stably associated microtubule-associated proteins, such as the neuronal protein tau. Such studies of the transport properties of molecular motors in increasingly complex reconstituted environments are important to illuminate the fundamental biophysical principles underlying the essential process of intracellular cargo transport.

연구 동기 및 목표

• 제어된 in vitro 환경에서 미세분자 농축이 키티신-1 모터 운반에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 생리적 복잡성을 모방하기 위해 일시적으로 결합하는 마이크로튜불 관련 단백질(MAPs)이 키티신 이동성에 끼치는 영향를 조사하기 위해.
• 기존에 장애물로 작용하는 것으로 알려진 안정적으로 결합하는 MAPs(예: 타우)와의 영향을 비교하기 위해.
• 농축되고 이질적인 조건에서 세포 내 운반을 규정하는 기본 물리학 원리를 밝혀내기 위해.

제안 방법

• 정제된 키티신-1 모터와 안정화된 마이크로튜불을 사용한 in vitro 재구성 실험을 수행하였다.
• 밀도가 높은 세포 내 환경을 모방하기 위해 관성 농축제(예: 피콜, 덱스트란)를 도입하였다.
• 마이크로튜불 상의 동적 단백질 상호작용을 모방하기 위해 일시적으로 결합하는 MAPs를 추가하였다.
• 실시간으로 단일 키티신-1 모터를 시각화하고 추적하기 위해 총내부 반사형 광학(TIRF) 현미경을 사용하였다.
• 다양한 농축 및 MAP 조건에서 모터의 이동 거리, 속도, 그리고 결합/해리 시간을 정량화하였다.
• 농축과 일시적 MAPs가 모터 운반 매개변수에 미치는 영향를 평가하기 위해 통계적 방법을 분석에 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세분자 농축은 키티신-1의 이동 거리와 운동 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 일시적으로 결합하는 MAPs는 키티신-1의 전진 속도와 프로세시비티에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일시적으로 결합하는 MAPs는 안정적으로 결합하는 MAPs(예: 타우)와 비교해 키티신 운반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 농축 조건에서 관찰된 키티신 행동의 변화를 뒷받침하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 관성 폴리머를 이용한 미세분자 농축은 키티신-1의 이동 거리를 증가시켜, 농축 조건에서 프로세시비티가 향상됨을 나타낸다.
• 농축은 모터와 마이크로튜불 간의 탈수 상호작용으로 인해 비특이적 모터 결합과 확산을 유도한 것으로 보인다.
• 일시적으로 결합하는 MAPs는 모터의 결합 시간에 영향을 주지 않으면서도 키티신-1의 전진 운동을 크게 저해한다.
• 일시적으로 결합하는 MAPs가 키티신 운반에 미치는 영향은 기존에 강력한 장애물로 작용하는 것으로 알려진 안정적으로 결합하는 MAPs(예: 타우)와는 뚜렷하게 다름을 보였다.
• 결과적으로, MAPs와의 동적이고 일시적인 상호작용이 모터 이동을 영구적으로 막지 않고도 운반 조절에 기여할 수 있음을 시사한다.
• 농축제에서 유래한 탈수 효과가 모터 군집화와 비특이적 확산을 촉진하는 핵심 메커니즘이라고 규명되었다.