Mechanik der dynamischen Instabilität von Mikrotubuli auf der Subnanometerskala

• Antragsteller: Dr. Maxim Igaev
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383023654

Mikrotubuli (MT) sind zelluläre Filamente aus Tubulinuntereinheiten, die den mitotischen Spindelapparat bilden, neuronalen Axonen und Dendriten Form und Festigkeit verleihen und Motorproteinen als Tracks dienen, auf denen der Vesikeltransport stattfindet. Der Auf- und Abbau von MT erfolgt in einem stochastischen Wechsel (auch bekannt als dynamische Instabilität), der von der Hydrolyse von GTP-Nukleotiden durch Tubulin-Dimere getrieben wird. Dieses semistabile Verhalten von MT ist unabdingbar für ihre Funktion. Der detaillierte Mechanismus, wonach die GTP-Bindung und -Hydrolyse das MT-Wachstum steuern, bleibt allerdings unklar. Hierbei stehen zwei Aspekte im Vordergrund: (a) der fehlende Zusammenhang zwischen der Bindung von GTP an freies Tubulin und der Konformation des letzteren und (b) die Destabilisierung des MT-Gitters durch die GTP-Hydrolyse.Das vorgelegte Projekt befasst sich deshalb mit der quantitativen Charakterisierung der Dynamik und Energetik (a) eines einzelnen Tubulin-Dimers in Abhängigkeit vom Nukleotid-Zustand und (b) eines MT-Komplexes in Reaktion auf die GTP-Hydrolyse mit Hilfe von atomistischen Simulationen sowie während der Vorbereitungsphase gewonnenen Erkenntnissen. Als erstes wird eine strukturelle Analyse von allen bisher experimentell bestimmten Tubulin-Konformationen durchgeführt, um die durch die GTP-Bindung induzierte Konformationsänderung zu ermitteln. Desweiteren führen wir Freie-Energie-Rechnungen durch, um die Energetik des Tubulin-Dimers entlang diesem Konformationspfad zu bestimmen. Die auf diese Weise gewonnene Energielandschaft wird es uns ermöglichen, zu beurteilen, welches der Modelle, die zur Erklärung des MT-Aufbaus vorgeschlagen wurden, mechanisch plausibel ist. Entwickelt werden schließlich atomistische Modelle kompletter MT anhand jüngster Elektronenmikroskopiedaten. Mittels dieser Modelle und Freie-Energie-Rechnungen wird daraufhin ermittelt, wie und in welchem Maß jeder Tubulin-Dimer zur Energetik des gesamten MT-Gitters beiträgt. Auf Grund dieser Kalkulationen werden wir in der Lage sein, die experimentell beobachteten Unterschiede zwischen den extremen Zuständen des MT-Gitters (hydrolysiert vs. nicht hydrolysiert) auf atomarer Ebene zu interpretieren.In Betracht der wachsenden Anzahl von strukturellen Studien von Tubulin und MT nur in den letzten zwei Jahren gehen wir davon aus, dass hochaufgelöste Daten gegen Ende des Projekts verfügbar werden. Initiiert wurde auch eine Kooperation mit der experimentellen Gruppe von Eva Nogales (University of California, Berkeley, USA), die derzeit mit der Untersuchung von Zwischenzuständen des MT-Gitters mittels High-End-Elektronenmikroskopie befasst ist. Die beabsichtigte Zusammenarbeit würde eine solide Basis für eine Validierung unserer Ergebnisse bilden sowie es uns ermöglichen, die experimentelle Analyse von MT mit neuen atomistischen Details über die Dynamik und Energetik der von der GTP-Hydrolyse getriebenen Übergänge im MT-Gitter zu ergänzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen