Cooperative dynamics of microtubule ensembles: polymerization forces and rescue-induced oscillations.
Cooperative dynamics of microtubule ensembles: polymerization forces and rescue-induced oscillations.
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微管群的协同动力学：聚合力和救援引起的振荡
DOI：
10.1103/physreve.87.012703
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发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
J. Kierfeld
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
B. Zelinski;J. Kierfeld
我们研究了一群微管在弹性屏障上生长的协同动力学。微管经历了所谓的灾难，即从生长状态到萎缩状态的突然随机转变，以及恢复状态，即从生长状态转变回生长状态。如果生长端与障碍物接触，微管可以对障碍物（如弹性屏障）施加推力或聚合力。我们使用动态平均场理论和随机模拟来分析每个微管经历灾难和救援以及微管通过力共享相互作用的模型。对于零救助率，合作增长终止于集体灾难。灾难发生前的最大聚合力与较小或较硬的弹性屏障呈线性增长，与现有的实验结果一致，而对于较大的软弹性屏障则呈对数依赖关系。对于非零救援率和软弹性障壁，在集体灾难和救援事件的作用下，动力学变得振荡，这是鲁棒极限环的一部分。然后，平均和最大聚合力都线性增长，我们研究了它们对微管蛋白on率和拯救率的依赖，这可能涉及细胞调节机制。我们进一步研究了集体灾难和救援振荡相对于不同的灾难模型的鲁棒性。
We investigate the cooperative dynamics of an ensemble ofmicrotubules growing against an elastic barrier. Microtubules undergo so-called catastrophes, which are abrupt stochastic transitions from a growing to a shrinking state, and rescues, which are transitions back to the growing state. Microtubules can exert pushing or polymerization forces on an obstacle, such as an elastic barrier, if the growing end is in contact with the obstacle. We use dynamical mean-field theory and stochastic simulations to analyze a model where each microtubule undergoes catastrophes and rescues and where microtubules interact by force sharing. For zero rescue rate, cooperative growth terminates in a collective catastrophe. The maximal polymerization force before catastrophes grows linearly withfor smallor a stiff elastic barrier, in agreement with available experimental results, whereas it crosses over to a logarithmic dependence for largeror a soft elastic barrier. For a nonzero rescue rate and a soft elastic barrier, the dynamics becomes oscillatory with both collective catastrophe and rescue events, which are part of a robust limit cycle. Both the average and maximal polymerization forces then grow linearly with, and we investigate their dependence on tubulin on-rates and rescue rates, which can be involved in cellular regulation mechanisms. We further investigate the robustness of the collective catastrophe and rescue oscillations with respect to different catastrophe models.
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