Mechanisms of Tubulin dimer Regulatory Pathways and their impact on Microtubule Function.

微管蛋白二聚体调节途径的机制及其对微管功能的影响。

基本信息

  • 批准号:
    10053131
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 33.76万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-01-01 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary The dynamic microtubule cytoskeleton mediates intracellular organization, generates forces in dividing or migrating eukaryotic cells, and forms tracks for intracellular trafficking. The fundamental properties of microtubules, including polarized growth and “dynamic instability”, stem directly from the activities of the microtubule building blocks, the α- and β-tubulin heterodimers. Three conserved tubulin cofactors and dedicated Arf-like 2 G-protein form multi-subunit platforms for the biogenesis and degradation of αβ-tubulin dimer, leading to a high concentration within the cytoplasm. The mechanisms for these assemblies remain mostly mysterious, due in part to a lack of structural information. In addition, we do not understand how conserved microtubule polymerases with arrays of Tumor Overexpressed Gene (TOG) domains recruit αβ-tubulins and accelerate their incorporation while tracking dynamic microtubule ends. Understanding these cellular pathways is critical since genetic defects that impair either soluble αβ-tubulin biogenesis or microtubule polymerases are linked to inherited neurological and developmental disorders and are observed in human cancers, respectively. This proposal explores the biochemical and physical mechanisms of αβ-tubulin biogenesis and microtubule polymerase assemblies and their impact on microtubule function. Our strategy combines methods across multiple resolution scales, including in vitro reconstitution of purified protein assemblies, structural studies by cryo-electron microscopy (cryo- EM), reconstitution of assemblies with microtubule dynamics using in vitro fluorescence microscopy-based assays, and in vivo live imaging with microtubules within living cells. First, we will determine structural transitions describing αβ-tubulin biogenesis assemblies and their functional impact of αβ-tubulin biogenesis and degradation. During the previous period, we established reconstitution system for these assemblies with αβ-tubulin and describe cryo-EM structural studies leading to medium resolution structures in complex with αβ-tubulins. 1) We will determine structural states for the αβ-tubulin biogenesis assemblies in multiple biochemical states using high-resolution cryo-EM to understand how these assemblies catalyze dimerization of αβ-tubulin and its degradation. 2) We will dissect functional roles of structural elements and interactions within current structures to determine their role in the αβ-tubulin biogenesis process using in vitro and in vivo methods. Second, we will examine the mechanisms of microtubule polymerases with arrays of TOG domains their regulatory mechanisms. In the previous period, we describe a new model for αβ-tubulin recruitment and polymerization by TOG domain arrays as microtubule polymerases, developed based on our structural and biochemical studies. We validated this model using in vitro reconstitution and in vivo live imaging of structure-based designer defective mutants, revealing that the αβ-tubulin accelerating and processive plus-end tracking activities originate from unique features in TOG domain arrays. 1) We will study mechanisms of super-complexes of microtubule polymerase in complex with their activators, the transforming acidic coiled-coil proteins, in by using well- explored structural, in vitro reconstitution and in vivo live imaging strategies. 2) Determine the structural and functional relevance of our new model to mammalian microtubule polymerases with their unique pentameric TOG domain array arrangement using cryo-EM structural studies, in vitro reconstitution of designer mutants, and in vivo imaging approaches of structure-based mutants. We expect these studies to yield new structural and biophysical data, which will refine our new models will deepen our understanding of soluble αβ-tubulin biogenesis, recruitment and incorporation during microtubule polymerization. This understanding will in turn point toward new strategies for addressing defects in tubulin biogenesis and regulation, potentially impacting patients with a range of developmental and neurological disorders.
项目摘要 动态的微管骨架介导细胞内的组织,产生分裂或迁移的力 真核细胞,并形成用于细胞内运输的轨道。微管的基本特性,包括 极化生长和“动态不稳定性”,直接源于微管结构单元,α-和 β-微管蛋白异源二聚体。三个保守的微管蛋白辅因子和专用的Arf样2G蛋白形成多亚基平台 用于αβ-微管蛋白二聚体的生物发生和降解,导致细胞质内的高浓度。的 这些组装的机制大多仍然是神秘的,部分原因是缺乏结构信息。另外我们 我不明白保守的微管聚合酶如何与肿瘤过表达基因(TOG)结构域阵列 募集αβ-微管蛋白并加速它们的结合,同时跟踪动态微管末端。了解这些 细胞途径是至关重要的,因为遗传缺陷损害可溶性αβ-微管蛋白生物合成或微管 聚合酶与遗传性神经和发育障碍有关并在人类癌症中观察到, 分别该建议探讨了αβ-微管蛋白生物发生和微管的生化和物理机制 聚合酶组装及其对微管功能的影响。我们的策略结合了多个分辨率的方法 规模,包括纯化的蛋白质组装体的体外重建,通过冷冻电子显微镜(cryo-electron microscopy)的结构研究(cryo-electron microscopy), EM),使用基于体外荧光显微镜的测定用微管动力学重建组装体,以及 活细胞内微管的活体成像。 首先,我们将确定描述αβ-微管蛋白生物发生组装体的结构转变及其对细胞增殖的功能影响。 αβ-微管蛋白的生物发生和降解。在上一个时期,我们为这些项目建立了重建系统, 与αβ-微管蛋白的组装,并描述了导致复杂的中分辨率结构的冷冻-EM结构研究。 α β微管蛋白。1)我们将在多种生化反应中确定αβ-微管蛋白生物发生组装体的结构状态, 使用高分辨率cryo-EM来了解这些组件如何催化αβ-微管蛋白及其 降解2)我们将剖析结构元素的功能作用和当前结构中的相互作用,以确定 它们在αβ-微管蛋白生物发生过程中的作用。第二,我们会研究机制 微管聚合酶与TOG结构域阵列的调控机制。在前一段时间,我们描述了 一种新的模型αβ-微管蛋白募集和聚合的TOG结构域阵列作为微管聚合酶,开发 基于我们的结构和生化研究我们使用体外重建和体内活细胞模型验证了该模型。 基于结构的设计缺陷突变体的成像,揭示了αβ-微管蛋白加速和进行性加末端 跟踪活动源自TOG域阵列中的独特特征。1)我们将研究超配合物的机理 微管聚合酶与它们的激活剂,转化酸性卷曲螺旋蛋白复合物,在使用良好- 探索了结构、体外重建和体内活体成像策略。2)确定结构和功能 我们的新模型与具有独特五聚体TOG结构域阵列的哺乳动物微管聚合酶的相关性 使用冷冻EM结构研究、设计突变体的体外重建和体内成像方法进行排列 基于结构的突变体我们希望这些研究能够产生新的结构和生物物理数据,这将完善我们的新研究。 模型将加深我们对可溶性αβ-微管蛋白的生物合成、微管形成过程中的募集和掺入的理解, 聚合法这种理解将反过来指向解决微管蛋白生物发生缺陷的新策略, 监管,可能影响患者的一系列发育和神经系统疾病。

项目成果

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