Microtubules (MTs) are hollow cylindrical protein nanotubes with 25 nm diameter involved in many important functions in our cells such as maintaining cell shape, intracellular trafficking, and cell division. They are self-assembly structures constructed with $\alpha/\beta$ - tubulin heterodimers. Tubulin dimeric proteins bind in manner of head-to-tail way and can have (i) straight and (ii) curved conformations depending on binding of (i) GTP or (ii) GDP, respectively.
Tau protein, one of the well-known MAPs (microtubule-associated proteins), regulates dynamics and stability of MTs. Malfunction of tau induces Alzheimer’s disease, the famous neurodegenerative disease. Mutation and hyper-phosphorylation of tau protein are known as the cause of disease but its structural mechanism is still unknown. Due to the lack of knowledge about 3D structure of tau, it’s poorly understood how tau protein behaves and interacts with MTs under both absence and presence of malfunction of tau. On the other hand, it is well-known that MTs have negatively charged surface with density about $e/nm^{2}$ and tau has positive net charge. So, it is expected that the electrostatic interaction between MTs and tau protein plays a key role. Therefore, understanding the electrostatic interaction of MTs with cationic molecules is an important question.
There have been studies about MTs assembly with cationic molecules such as multivalent cations, spermine, DEAE-dextran, and other polycations. Bundle of MTs or newly assembled tubulin assemblies were reported. However, only specific structures assembled from tubulins or MTs by each cationic molecule have so far been reported and finding key physical parameters or molecular switch that tune the assembly structure of tubulins or MTs still remains to be elucidated.
PL is cationic polymer having lysine as a repeat unit. Lysine is one of the amino acids with positively charged side chain. PL is widely used in a number of biological applications such as facilitating the cell adhesion and enhancing the gene delivery. It is a good candidate for studying the assembly system of MTs and cationic polymer.
Here we report the MT assembly system with cationic polymer PL. Depending on the concentration of PL, we could observe various higher order assembly structures of MTs. MT, open sheet of MT, bundle of MTs ($B_{MT}$), double-walled microtubule (DWMT), and inverted tubulin tube (ITT) structures. Using transmission electron microscopy and small-angle X-ray/Neutron scattering, we quantitatively studied those assembly structures. Especially here, I focus on the studies in reciprocal space using full-curve fitting.
Interestingly, this work shows that the role of PL on MT assembly structures changes and it can be controlled using CPL. When weight ratio of PL to tubulin ($C_{PL}/C_{tubulin}$) is 0.01, PLs act like ‘a scissor’ cutting MTs along the direction of length and open sheet of MT comes out as the result. If $C_{PL}/C_{tubulin}$ increases to reach 0.025, PL gathers MTs into $B_{MT}$; the function of PL is ‘a glue’, here. In the range of 0.1 < $C_{PL}/C_{tubulin}$ <32, the role of PL changes into the combination of ‘a glue’ & ‘a scissor’ and DWMTs and ITTs are constructed.
Additionally, it is meaningful that PL is the first molecule that can switch MTs into various assembly structures simply by controlling the concentration. If this study is combined with mechanism models, it may give a great insight about the interaction between MTs and cationic polymers.
마이크로튜불은 우리 몸 속에 존재하는 지름 25 nm 정도의 단백질 나노튜브이다. 마이크로튜불은 세포의 모양 유지, 물질 수송, 그리고 세포 분열 등에서 중요한 역할들을 수행한다. 이는 튜불린 단백질의 자기조립으로 형성되는 구조이며, 이 튜불린 단백질은 GTP 또는 GDP가 결합함에 따라 곧거나 (straight) 휘어진 (curved) 형태를 가질 수 있다.
타우 단백질은 잘 알려진 마이크로튜불결합단백질 중 하나로 마이크로튜불의 다이내믹스와 안정성을 조절하는 기능을 가지고 있다. 만약 타우 단백질 기능에 문제가 생기면 신경퇴행성질환인 알츠하이머병이 발병하게 된다. 타우 단백질의 돌연변이나 과인산화가 병을 유발하는 것으로 알려져 있지만, 보다 근본적인 구조적 메커니즘은 거의 알려진 바가 없다. 이는 타우 단백질이 3차원 구조를 가지지 않는 특성이 마이크로튜불과의 상호작용 연구를 매우 어렵게 만들기 때문이다. 다만, 마이크로튜불이 전기적으로 음의 전하를 가지고, 타우 단백질은 순전하가 양의 전하라는 사실로부터 둘 사이의 전기적 상호작용이 중요한 역할을 하고 있다고 생각할 수 있다. 그렇기 때문에, 마이크로튜불과 양이온 물질 사이의 상호작용을 이해하는 것은 병리학적으로 중요한 의미를 가질 수 있다.
이를 이해하기 위해 연구자들은 마이크로튜불과 양이온 물질의 조립 시스템에 대한 연구를 수행하였고, 마이크로튜불 번들이나 튜불린으로부터 새롭게 조립된 구조들을 발견하였다. 그러나 각각의 양전하 물질이 특정 구조를 형성한다는 보고에만 그쳤을 뿐, 어떤 물리적인 파라미터 혹은 분자 스위치가 그러한 조립 구조의 변화를 유도하는지에 대한 것은 아직 베일에 싸여 있다.
폴리라이신은 양전하를 띠는 곁사슬을 가지는 아미노산 중 하나인 라이신을 기본 유닛으로 가지는 폴리머이다. 폴리라이신은 세포부착/유전자 전달 연구에서 많이 사용되고 있으며, 접근성이나 길이 조절이 용이해 마이크로튜불과 양이온 폴리머의 조립 시스템 연구에 적합한 물질이다.
여기서 우리는 마이크로튜불과 양이온 폴리머인 폴리라이신의 조립 시스템 연구에 대해 보고하고자 한다. 폴리라이신의 농도에 따라 마이크로튜불부터 열린 시트 마이크로튜불 (open sheet of microtubule), 마이크로튜불 번들, 이중 마이크로튜불 (double-walled microtubule), 뒤집힌 튜불린 튜브 (inverted tubulin tubule)까지 다양한 고차 구조들이 나타나는 것을 관찰하였다. 전자 현미경과 X-ray/중성자 소각산란을 이용하여 이러한 구조들을 정량적으로 분석하였다. 특히 여기서는 full-curve피팅을 이용하여, 역공간에서의 산란 데이터를 분석하는 것에 초점을 맞추어 기술하였다.
흥미로운 점은 이렇게 다양한 구조들을 형성하는 것이 단순히 폴리라이신의 농도 하나만을 조절함으로써 가능하다는 사실이다. 농도에 따라 마이크로튜불 조립 시스템에서 수행하는 폴리라이신의 역할이 계속적으로 변한다는 것은 주목할 만하다. 이 역할들은 서로 상반되는 두 가지의 요소인 ‘가위’와 ‘풀’의 개념으로 설명할 수 있다. 폴리라이신과 튜불린의 weight 비 ($C_{PL}/C_{tubulin}$)가 0.01일 때, 폴리라이신은 마이크로튜불을 길이 방향으로 자르는 가위와 같은 역할을 수행하여 열린 시트 마이크로튜불 구조를 형성한다. $C_{PL}/C_{tubulin}$이 증가하여 0.025에 이르면, 신기하게도 폴리라이신은 기능을 바꾸어 자르는 대신에 마이크로튜불들을 모아 번들을 만드는 풀과 같이 행동한다. 0.1 < $C_{PL}/C_{tubulin}$ <32 에서는 역할이 다시 한번 바뀌어, 마이크로튜불의 프로토필라멘트를 밖으로 찢는 가위의 역할과 이를 다시 쌓는 풀의 역할을 동시에 수행하여 이중 마이크로튜불과 뒤집힌 튜불린 튜브 구조를 형성한다.
폴리라이신이 단순히 농도만을 조절함으로써 다양한 마이크로튜불 조립 구조를 만들어낼 수 있는 최초의 물질이라는 발견은 큰 의미를 가진다고 할 수 있다. 더 나아가, 만약 이러한 발견이 메커니즘 모델 연구로 설명된다면 마이크로튜불과 양이온 폴리머 사이에 존재하는 상호작용에 대한 근본적인 이해에 큰 도움이 될 것이라 기대한다.
