Feedback mechanism for microtubule length regulation by stathmin gradients.
Feedback mechanism for microtubule length regulation by stathmin gradients.
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Stathmin梯度调节微管长度的反馈机制
DOI：
10.1016/j.bpj.2014.10.056
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发表时间：
2014
影响因子：
3.4
通讯作者：
J. Kierfeld
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
M. Zeitz;J. Kierfeld
我们制定和分析的微管（MT）聚合动力学的信号蛋白Rac 1和stathmin的调节的理论模型。在细胞中，MT生长速率被胞质stathmin抑制，而胞质stathmin又被Rac 1灭活。生长中的MT在细胞边缘激活Rac 1，从而闭合正反馈回路。我们研究了微管蛋白螯合和灾难促进作为Stathmin抑制MT生长的机制。对于一个均匀的stathmin浓度在没有Rac 1，我们发现一个开关调节MT的平均长度stathmin。对于在单元边缘的组成型活性Rac 1，stathmin被局部去激活，这建立了活性stathmin的空间梯度。在这个梯度中，我们发现一个固定的双峰MT长度分布的MT生长抑制stathmin的两种机制。双峰长度分布的一个亚群可以确定与快速增长和长先锋MT的细胞边缘附近的区域，这已被实验观察到。通过MT激活Rac 1，反馈回路闭合。对于通过stathmin进行的微管蛋白螯合，这建立了具有两个稳定状态的TMT开关：一个稳定状态对应于上调的MT平均长度和双峰MT长度分布，即，先锋MT;另一个稳定状态对应于具有短MT的中断反馈。随机效应以及外部扰动都可能触发转换事件。对于促进灾变的stathmin，我们没有发现双稳态。
We formulate and analyze a theoretical model for the regulation of microtubule (MT) polymerization dynamics by the signaling proteins Rac1 and stathmin. In cells, the MT growth rate is inhibited by cytosolic stathmin, which, in turn, is inactivated by Rac1. Growing MTs activate Rac1 at the cell edge, which closes a positive feedback loop. We investigate both tubulin sequestering and catastrophe promotion as mechanisms for MT growth inhibition by stathmin. For a homogeneous stathmin concentration in the absence of Rac1, we find a switchlike regulation of the MT mean length by stathmin. For constitutively active Rac1 at the cell edge, stathmin is deactivated locally, which establishes a spatial gradient of active stathmin. In this gradient, we find a stationary bimodal MT-length distribution for both mechanisms of MT growth inhibition by stathmin. One subpopulation of the bimodal length distribution can be identified with fast-growing and long pioneering MTs in the region near the cell edge, which have been observed experimentally. The feedback loop is closed through Rac1 activation by MTs. For tubulin sequestering by stathmin, this establishes a bistable switch with two stable states: one stable state corresponds to upregulated MT mean length and bimodal MT length distributions, i.e., pioneering MTs; the other stable state corresponds to an interrupted feedback with short MTs. Stochastic effects as well as external perturbations can trigger switching events. For catastrophe-promoting stathmin, we do not find bistability.
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