Preview

Вестник Московского университета. Серия 16. Биология

Расширенный поиск

Изучение гибких элементов структуры микротрубочек с помощью криоэлектронной микроскопии и молекулярного моделирования: миссия выполнима?

https://doi.org/10.55959/MSU0137-0952-16-80-3S-3

Аннотация

Микротрубочки являются базовыми элементами цитоскелета эукариотических клеток. Благодаря своей многофункциональности, уникальной структуре и высокой механической жесткости, они остаются излюбленным объектом исследований с использованием различных методов микроскопии, включая криоэлектронную. Несмотря на впечатляющие успехи в визуализации решетки микротрубочек, гибкие элементы их структуры – отдельные протофиламенты на собирающихся или разбирающихся плюс-концах, а также регуляторные неструктурированные пептиды, известные как C-концевые «хвосты», – до сих пор слабо поддаются визуализации. В этой статье мы обсуждаем прогресс в применении криоэлектронной микроскопии и томографии к изучению этих участков, а также роль и потенциал методов молекулярного моделирования для анализа и интерпретации полученных экспериментальных данных.

Об авторах

В. А. Федоров
Кафедра биофизики, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия

Федоров Владимир Андреевич – канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. кафедры биофизики биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 24

Тел.: 8-495-939-11-16



Е. Г. Холина
Кафедра биофизики, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия

Холина Екатерина Георгиевна – канд. биол. наук, ст. преп. кафедры биофизики биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 24

Тел.: 8-495-939-11-16



Н. Б. Гудимчук
Кафедра биофизики, физический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия

Гудимчук Никита Борисович – докт. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. кафедры биофизики физического факультета

119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2

Тел.: 8-495-938-00-06



И. Б. Коваленко
Кафедра биофизики, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия

Коваленко Илья Борисович – докт. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. кафедры биофизики биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 24

Тел.: 8-495-939-11-16



Список литературы

1. Desai A., Mitchison T.J. Microtubule polymerization dynamics. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol. 1997;13:83–117.

2. Gudimchuk N.B., McIntosh J.R. Regulation of microtubule dynamics, mechanics and function through the growing tip. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2021;22(12):777–795.

3. Roll-Mecak A. The tubulin code in microtubule dynamics and information encoding. Dev. Cell. 2020;54(1):7–20.

4. McKenna E.D., Sarbanes S.L., Cummings S.W., Roll-Mecak A. The tubulin code, from molecules to health and disease. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol. 2023;39:331–361.

5. Janke C., Magiera M.M. The tubulin code and its role in controlling microtubule properties and functions. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2020;21(6):307–326.

6. Wagstaff J.M., Planelles-Herrero V.J., Sharov G., Alnami A., Kozielski F., Derivery E., Löwe J. Diverse cytomotive actins and tubulins share a polymerization switch mechanism conferring robust dynamics. Sci. Adv. 2023;9(13):eadf3021.

7. Alushin G.M., Lander G.C., Kellogg E.H., Zhang R., Baker D., Nogales E. High-resolution microtubule structures reveal the structural transitions in αβ-tubulin upon GTP hydrolysis. Cell. 2014;157(5):1117–1129.

8. Manka S.W., Moores C.A. The role of tubulin–tubulin lattice contacts in the mechanism of microtubule dynamic instability. Nat. Struct. Mol. Biol. 2018;25(7):607–615.

9. Zhang R., LaFrance B., Nogales E. Separating the effects of nucleotide and EB binding on microtubule structure. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018;115(27):E6191–E6200.

10. Zhang R., Alushin G.M., Brown A., Nogales E. Mechanistic origin of microtubule dynamic instability and its modulation by EB proteins. Cell. 2015;162(4):849–859.

11. Debs G.E., Cha M., Liu X., Huehn A.R., Sindelar C.V. Dynamic and asymmetric fluctuations in the microtubule wall captured by high-resolution cryoelectron microscopy. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2020;117(29):16976–16984.

12. LaFrance B.J., Roostalu J., Henkin G., Greber B.J., Zhang R., Normanno D, McCollum C.O., Surrey T., Nogales E. Structural transitions in the GTP cap visualized by cryo-electron microscopy of catalytically inactive microtubules. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2022;119(2):e2114994119.

13. Estévez-Gallego J., Blum T.B., Ruhnow F., Gili M., Speroni S., García-Castellanos R., Steinmetz M.O., Surrey T. Hydrolysis-deficient mosaic microtubules as faithful mimics of the GTP cap. Nat. Commun. 2025;16(1):2396.

14. Wang Q., Crevenna A.H., Kunze I., Mizuno N. Structural basis for the extended CAP-Gly domains of p150(glued) binding to microtubules and the implication for tubulin dynamics. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2014;111(31):11347–11352.

15. Benoit M.P.M.H., Rao L., Asenjo A.B., Gennerich A., Sosa H. Cryo-EM unveils kinesin KIF1A’s processivity mechanism and the impact of its pathogenic variant P305L. Nat. Commun. 2024;15(1):5530.

16. Alushin G.M., Musinipally V., Matson D., Tooley J., Stukenberg P.T., Nogales E. Multimodal microtubule binding by the Ndc80 kinetochore complex. Nat. Struct. Mol. Biol. 2012;19(11):1161–1167.

17. Ustinov N.B., Korshunova A.V., Gudimchuk N.B. Protein complex NDC80: properties, functions, and possible role in pathophysiology of cell division. Biochemistry (Mosc.). 2020;85(4):448–462.

18. Zehr E.A., Roll-Mecak A. Cryo-EM structures of human α1B/βI+βIVb microtubules shed light on isoform specific assembly. BioRxiv. 2023:2023.12.01.569594.

19. Chen J., Kholina E., Szyk A., Fedorov V.A., Kovalenko I., Gudimchuk N., Roll-Mecak A. α-tubulin tail modifications regulate microtubule stability through selective effector recruitment, not changes in intrinsic polymer dynamics. Dev. Cell. 2021;56(14):2016-2028.e4.

20. McIntosh J.R., Grishchuk E.L., Morphew M.K., Efremov A.K., Zhudenkov K., Volkov V.A., Cheeseman I.M., Desai A., Mastronarde D.N., Ataullakhanov F.I. Fibrils connect microtubule tips with kinetochores: a mechanism to couple tubulin dynamics to chromosome motion. Cell. 2008;135(2):322–333.

21. Höög J.L., Huisman S.M., Sebö-Lemke Z., Sandblad L., McIntosh J.R., Antony C., Brunner D. Electron tomography reveals a flared morphology on growing microtubule ends. J. Cell Sci. 2011;124(Pt. 5):693–698.

22. McIntosh J.R., O’Toole E., Morgan G., Austin J., Ulyanov E., Ataullakhanov F., Gudimchuk N.B. Microtubules grow by the addition of bent guanosine triphosphate tubulin to the tips of curved protofilaments. J. Cell Biol. 2018;217(8):2691–2708.

23. Atherton J., Stouffer M., Francis F., Moores C.A. Microtubule architecture in vitro and in cells revealed by cryo-electron tomography. Acta Crystallogr. D Struct Biol. 2018;74(Pt. 6):572–584.

24. Gudimchuk N.B., Ulyanov E.V., O’Toole E., Page C.L., Vinogradov D.S., Morgan G., Li G., Moore J.K., Szczesna E., Roll-Mecak A., Ataullakhanov F.I., McIntosh J.R. Mechanisms of microtubule dynamics and force generation examined with computational modeling and electron cryotomography. Nat. Commun. 2020;11(1):3765.

25. Buchholz T.-O., Jordan M., Pigino G., Jug F. Cryo- CARE: content-aware image restoration for cryo-transmission electron microscopy data. 2019 IEEE 16th International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI 2019). IEEE; 2019:502–506.

26. Kalutskii M., Grubmüller H., Volkov V.A., Igaev M. Microtubule dynamics are defined by conformations and stability of clustered protofilaments. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2025;122(22):e2424263122.

27. Iyer S.S., Chen F., Ogunmolu F.E. et al. Centriolar cap proteins CP110 and CPAP control slow elongation of microtubule plus ends. J. Cell Biol. 2025;224(3):e202406061.

28. Garnham C.P., Vemu A., Wilson-Kubalek E.M., Yu I., Szyk A., Lander G.C., Milligan R.A., Roll-Mecak A. Multivalent microtubule recognition by tubulin tyrosine ligase- like family glutamylases. Cell. 2015;161(5):1112–1123.

29. Fera A., Reese T., Zimmerberg J., Sackett D. Radial carboxyterminal peptides of tubulin directly imaged in microtubules by electron microscopy tomography exploiting amplitude contrast. ResearchGate preprint. 2021;10.21203/rs.3.rs-409249/v1.

30. Trabuco L.G., Villa E., Schreiner E., Harrison C.B., Schulten K. Molecular dynamics flexible fitting: A practical guide to combine cryo-electron microscopy and X-ray crystallography. Methods. 2009;49(2):174–180.

31. Igaev M., Kutzner C., Bock L.V., Vaiana A.C., Grubmüller H. Automated cryo-EM structure refinement using correlation-driven molecular dynamics. Elife. 2019;8:e43542.

32. Eshun-Wilson L., Zhang R., Portran D., Nachury M.V., Toso D.B., Löhr T., Vendruscolo M., Bonomi M., Fraser J.S., Nogales E. Effects of α-tubulin acetylation on microtubule structure and stability. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019;116(21):10366–10371.


Рецензия

Для цитирования:


Федоров В.А., Холина Е.Г., Гудимчук Н.Б., Коваленко И.Б. Изучение гибких элементов структуры микротрубочек с помощью криоэлектронной микроскопии и молекулярного моделирования: миссия выполнима? Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2025;80(3):9-14. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0952-16-80-3S-3

For citation:


Fedorov V.A., Kholina E.G., Gudimchuk N.B., Kovalenko I.B. Studying flexible elements of microtubule structure using cryo-electron microscopy and molecular modeling: mission possible? Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya. 2025;80(3):9-14. (In Russ.) https://doi.org/10.55959/MSU0137-0952-16-80-3S-3

Просмотров: 3


ISSN 0137-0952 (Print)