Metastable microtubules: Dynamic instability, lattice plasticity and mechanosensing

Abstract

A multitude of cellular functions rely on active remodelling of the cytoskeleton and its components. Microtubules constitute the most rigid and dynamic component of the cytoskeleton. Their inherent metastability gives rise to their dynamic nature, and recent research shows that the microtubule lattice is also dynamic. This challenges the traditional view of microtubules as passive, load-bearing supports that bear compressive forces. Microtubule dynamicity is modulated by a variety of effectors - motor proteins, mechanical force, microtubule-associated proteins (MAPs), tubulin code, as well as microtubule-targeting drugs. This dissertation combines in vitro reconstitution, cellular, and modelling approaches to investigate how microtubule metastability - manifested in both tip and lattice dynamics - aids their diverse functions. By developing in vitro assays that mimic intracellular mechanical stress, I study microtubule response to mechanical stress and how this is mediated in the presence of different effectors. Further, I show that microtubule response is modulated by force, tubulin code, MAPs, and depolymerizing agents. This suggests that microtubules are not merely passive filaments but can actively undergo lattice remodeling in an effector-mediated manner. This work provides a framework for future studies on the regulation of microtubule response and offers insights into microtubule organization, pharmacology, and their emerging role as cellular mechanosensors.

Eine Vielzahl zellulärer Funktionen hängt von der aktiven Umgestaltung des Zytoskeletts und seiner Komponenten ab. Mikrotubuli sind die steifsten und zugleich dynamischsten Komponenten des Zytoskeletts. Ihre inhärente dynamische Instabilität führt zu ihrer metastabilen Natur, und die aktuelle Forschung zeigt, dass auch der Schaft der Mikrotubuli dynamisch ist. Dies stellt die traditionelle Auffassung von Mikrotubuli als passive, strukturelle Stützen, die Druckkräfte aufnehmen, in Frage. Die Dynamik der Mikrotubuli wird durch eine Vielzahl von Effektoren moduliert – Motorproteine, mechanische Kräfte, Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs), Tubulin-Code sowie Mikrotubuli-aktive Wirkstoffe. Unter Verwendung einer Kombination aus In-vitro-Rekonstitution, zellulären und Modellierungsansätzen untersucht diese Dissertation, wie die metastabile Natur von Mikrotubuli, die sich sowohl in der Spitzen- als auch Schaftdynamik manifestiert, die Funktion der Mikrotubuli unterstützt. Durch die Entwicklung eines In-vitro-Assays, das intrazellulären mechanischen Stress nachahmt, untersuchen wir die Reaktion der Mikrotubuli auf mechanischen Stress und wie diese in Gegenwart verschiedener Effektoren verändert wird. Wir zeigen, dass die Reaktion der Mikrotubuli durch Kraft, Tubulin-Code, MAPs und Depolymerisationsmittel moduliert wird. Dies deutet darauf hin, dass Mikrotubuli nicht nur passive Filamente sind, sondern aktiv zwischen strukturellen Zuständen innerhalb des Schafts wechseln können, und zwar auf effektorvermittelte Weise. Diese Arbeit liefert einen Rahmen für die weiterführende Erforschung der Regulation von Mikrotubuli und bietet Einblicke in die Organisation von Mikrotubuli, ihre Pharmakologie und ihre aufkommende Rolle als zelluläre Mechanosensoren.