[论文解读] 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 19

一句话总结

本研究构建了一个最小理论模型，以解决关于驱动蛋白在等待ATP时是否以两个头部均结合（2HB）或仅一个头部结合（1HB）于微管上的长期争议。通过在不同ATP浓度和负载条件下，解析预测运行长度、速度和随机性参数，作者表明，随机性参数对负载和核苷酸的依赖性可唯一区分这两种等待状态，从而提供了一个定量且可实验验证的标准，以解决这一长期存在的争议。

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.

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：即驱动蛋白在等待ATP时是否以两个头部均结合（2HB）或仅一个头部结合（1HB）于微管上。
• 确定实验可观测量（如运行长度、速度分布和随机性参数）是否能区分2HB与1HB的ATP等待状态。
• 为利用实验可测量量区分竞争模型，提供一个定量且可验证的预测。
• 阐明ATP等待状态在负载和不同核苷酸浓度下驱动蛋白化学机械偶联及步进动力学中的作用。

提出的方法

• 构建一个最小化的驱动蛋白步进随机模型，明确包含两种不同的ATP等待状态：2HB（两个头部均结合）和1HB（仅前导头部结合）。
• 利用解析解，推导运行长度分布P(n)、速度分布P(v)以及随机性参数（化学随机性rC和机械随机性rM）作为负载F和ATP浓度[T]的函数。
• 应用首次通过时间理论和主方程形式化方法，模拟步进动力学，包括在负载下的后退步。
• 推导机械随机性参数rM作为F和[T]的函数，该参数对ATP等待状态敏感。
• 在多个可观测量上比较2HB与1HB模型的预测，以识别其区分特征。
• 提出rM对F和[T]的依赖关系在两种模型中具有定性差异，使其成为关键的实验探针。

实验结果

研究问题

• RQ1 运行长度分布P(n)是否能区分2HB与1HB的ATP等待状态？
• RQ2 在2HB与1HB模型中，速度分布P(v)如何依赖于外部负载F和ATP浓度[T]？
• RQ3 在不同负载和ATP浓度下，随机性参数rM是否对ATP等待状态具有唯一敏感性？
• RQ4 rM对F和[T]的依赖关系是否可实验测量，以解决关于驱动蛋白ATP等待状态的争议？
• RQ5 在生理负载和ATP条件下，2HB与1HB模型预测的步进动力学在定量上存在哪些差异？

主要发现

• 运行长度分布P(n)对ATP等待状态不敏感，因此无法有效区分2HB与1HB模型。
• 在负载下，速度分布P(v)呈双峰分布，且在2HB与1HB模型之间表现出显著差异，尤其体现在其形状和峰值位置随负载F的变化上。
• 机械随机性参数rM在2HB与1HB模型中对负载F和ATP浓度[T]的依赖关系具有定性差异。
• rM对F和[T]的依赖关系被预测为唯一具有诊断价值：2HB模型中，随着[T]增加，rM单调减小；而1HB模型中，rM呈现非单调的钟形依赖关系。
• 该模型预测，rM可从单分子步进轨迹中定量测量，且数据偏差极小，因此非常适合实验验证。
• 本研究识别出随机性参数rM是实验解析驱动蛋白ATP等待状态争议的最有希望的可观测量。