Stichting FOM
20 januari 2010, 2010/04
Door botsen raken microtubuli spontaan geordend
De specifieke groeirichting van plantencellen wordt sterk bepaald door
de ligging van zogenoemde 'microtubuli' in de cel. Deze stevige
buisjes van tubuline-eiwitten vormen een sterk geordende structuur
loodrecht op de groeirichting. Onderzoekers van het FOM-instituut
AMOLF hebben laten zien hoe deze structuur zichzelf in stand houdt.
Hoewel de buisjes in alle richtingen kunnen groeien en krimpen, treedt
een Darwiniaans selectieprincipe op. Door botsingen verdwijnen
verkeerd georiënteerde microtubuli en overleven degenen met de goede
oriëntatie. AMOLF groepsleider Bela Mulder publiceert deze resultaten
samen met zijn voormalige postdoc Rhoda Hawkins en Simon Tindemans,
die in 2009 promoveerde, op woensdag 20 januari in het toonaangevende
tijdschrift Physical Review Letters.
Figuur 1. Microtubuli in een cel
vergroten Figuur 1. Microtubuli in een cel
De geordende structuur van microtubuli in de `transversale corticale
array'. De foto toont een klein deel van de corticale microtubuli in
een tabakscel. (Opname: Jelmer Lindeboom, WUR)
Figuur 2. Mogelijke botsingen van microtubuli
vergroten Figuur 2. Mogelijke botsingen van microtubuli
Als twee microtubuli botsen, zijn er drie mogelijke uitkomsten
(v.l.n.r.):
(a) ritsen, waarbij de inkomende microtubulus afbuigt en parallel aan
de andere verder groeit; (b) een `catastrofe', waarbij de inkomende
microtubulus schakelt van groei naar krimp; en (c) een kruising,
waarbij beide microtubuli ongestoord hun weg vervolgen. Deze botsingen
zijn in 2004 voor het eerst waargenomen in tabakscellen.
Figuur 3. Simulatie bij lage en hoge dichtheid van microtubuli
vergroten Figuur 3. Simulatie bij lage en hoge dichtheid van
microtubuli
Snapshots van twee simulaties waarin microtubuli worden gevolgd in de
tijd. Links is de buisjes-dichtheid laag en blijft het systeem
dynamisch en instabiel. Er ontstaat geen voorkeursrichting voor de
microtubuli. Rechts is door een hogere dichtheid wel een geordende
structuur ontstaan. Ook dit systeem is dynamisch (microtubuli groeien
en krimpen, verdwijnen en ontstaan), maar de microtubuli hebben een
duidelijke, stabiele voorkeursrichting.
Levende cellen zijn goed georganiseerde, dynamische structuren, waarin
microtubuli een belangrijke rol spelen. Deze dunne, stijve
eiwitbuisjes met een doorsnede van 25 nanometer kunnen enkele
micrometers lang worden. Hun lengte verandert voortdurend doordat ze
op willekeurige momenten kunnen schakelen tussen periodes van groei en
krimp. Soms verdwijnen ze door krimp, maar er worden ook voortdurend
nieuwe microtubuli gevormd.
Microtubuli hebben verschillende functies. Ze faciliteren de
celdeling, ze houden de celkern op zijn plaats en helpen plantencellen
bij het bepalen en vasthouden van hun groeirichting. Voor dat laatste
zorgen de 'corticale microtubuli' die gehecht zijn aan de binnenkant
van het celmembraan. Kort na een celdeling oriënteren deze microtubuli
zich vrijwel allemaal in een richting loodrecht op de groeirichting
van de cel. De zo ontstane 'transversale corticale array' is een
ordelijke structuur die dient als een soort rails voor de aanleg van
de celwand in de juiste richting.
De onderzoekers van AMOLF zochten naar een mogelijk mechanisme achter
deze geordende structuur van microtubuli in plantencellen. Omdat de
microtubuli vastzitten aan het celmembraan, kunnen zij alleen bewegen
door groei en krimp aan de uiteinden. Eerder onderzoek liet zien dat
zo'n groeiend uiteinde kan botsen met een anders georiënteerde
microtubulus. Wat er bij zo'n botsing gebeurt, blijkt af te hangen van
de hoek waaronder de twee microtubuli elkaar raken. Is deze hoek
kleiner dan ongeveer 40 graden, dan is `ritsen' het meest
waarschijnlijk: de inkomende microtubulus verandert van richting en
groeit parallel aan de andere microtubulus verder. Bij een grotere
botsingshoek ontstaat juist vaker een 'catastrofe': de inkomende
microtubulus schakelt van groei naar krimp. Een andere mogelijkheid,
bij alle botsingshoeken is een `kruising': de inkomende microtubulus
glipt over het obstakel heen en vervolgt zijn oorspronkelijke
groeirichting.
Mulder en zijn collega's formuleerden een wiskundig model om het
effect van herhaalde botsingen door te rekenen. Hoewel 'ritsen' ervoor
zorgt dat botsende microtubuli dezelfde oriëntatie krijgen, blijkt dit
effect nauwelijks van invloed op de vorming van de 'transversale
corticale array'. Juist de botsingen waarbij een groeiende
microtubulus overgaat in een krimpende, zijn bepalend voor de
ordening. Deze wordt als het ware vervroegd met pensioen gestuurd:
zijn levensduur is aanmerkelijk korter dan die van een microtubulus
die geen botsingen ondergaat. De microtubuli die haaks groeien op de
meerderheid van de microtubuli, botsen vaak en delven uiteindelijk het
onderspit. Zo ontstaat via een Darwiniaanse selectieprincipe spontaan
een voorkeursrichting voor de microtubuli. Wel blijkt dat er voldoende
microtubuli aanwezig moeten zijn om de kenmerkende geordende structuur
te bereiken. Dit klopt ook met experimentele waarnemingen: bepaalde
eiwitcomplexen in de cel zorgen dat dit vereiste minimale aantal
microtubuli inderdaad wordt aangemaakt. Met speciaal ontwikkelde
computersimulaties kunnen de onderzoekers grote aantallen microtubuli
individueel volgen over een langere tijd. Ook in deze simulaties
blijken de parallel geordende microtubuli de `overlevers'.