Dynamic Instability from Non-equilibrium Structural Transitions on the Energy Landscape of Microtubule.
Dynamic Instability from Non-equilibrium Structural Transitions on the Energy Landscape of Microtubule.
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从微管的能量景观上的非平衡结构过渡的动态不稳定性。
DOI：
10.1016/j.cels.2020.09.008
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发表时间：
2020-12-16
期刊：
影响因子：
9.3
通讯作者：
Ma A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Stewman SF;Tsui KK;Ma A
微管是细胞骨架的支柱，对许多细胞过程至关重要。微管的中心法则是它们的所有功能都是由动态不稳定性驱动的，但由于占主导地位的 GTP-cap 框架固有的概念困难，其机制在三十多年来仍未得到解决。我们提出了一个物理上严格的结构机械化学模型：动态不稳定性是由微管蛋白单体的弯曲（B）、直（S）和弯曲（C）形式以及微管二维晶格中的纵向界面之间的非平衡转变驱动的。所有不同的现象（增长、缩短、灾难、救援和暂停）都由 B↔S↔C 转变的动力学路径和相应的能量景观控制。负端的不同动力学是由于微管晶格极性所施加的不同 B↔S↔C 路径造成的。该模型使我们能够在动力学模拟中重现纯化微管蛋白动态不稳定性的所有观察到的现象。我们提出了一个结构力化学模型，可以解释微管动态不稳定性的所有现象，包括生长、缩短、灾难、救援和正负两端的暂停。该模型基于以下假设：所有这些现象都是由微管蛋白单体和界面从弯曲到直到弯曲的构象变化驱动的。
Microtubules are the backbone of the cytoskeleton and vital to numerous cellular processes. The central dogma of microtubules is that all their functions are driven by dynamic instability, but its mechanism has remained unresolved for over thirty years due to conceptual difficulties inherent in the dominant GTP-cap framework. We present a physically rigorous structural mechano-chemical model: dynamic instability is driven by non-equilibrium transitions between the bent (B), straight (S) and curved (C) forms of tubulin monomers and longitudinal interfaces in the two-dimensional lattice of microtubule. All the different phenomena (growth, shortening, catastrophe, rescue and pausing) are controlled by the kinetic pathways for B↔S↔C transitions and corresponding energy landscapes. Different kinetics at minus-end are due to different B↔S↔C pathways imposed by the polarity of microtubule lattice. This model enables us to reproduce all the observed phenomena of dynamic instability of purified tubulins in kinetic simulations. We present a structural mechano-chemical model that explains all the phenomena of dynamic instability of microtubules, including growth, shortening, catastrophe, rescue and pausing at both plus- and minus-ends. This model is based on the hypothesis that all these phenomena are driven by bent-to-straight-to-curved conformational changes of tubulins monomers and interfaces.
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