Microtubule Dynamics
Mikrotubuli sind hochdynamische strukturelle und funktionelle intrazelluläre „Autobahnen”. Der Begriff Zytoskelett (Cytoskelett) ruft das Bild einer starren, unveränderlichen und permanenten Struktur hervor. In Wirklichkeit ist das Zytoskelett allerdings ein hochdynamisches miteinander verbundenes Netzwerk, das aus drei unterschiedlichen Hauptkomponenten besteht: Mikrotubuli (polymerisierte Tubulin-Dimere), Mikrofilamente (polymerisiertes Aktin) und Intermediärfilamente. Mikrotubuli sind die größten Komponenten des Zytoskeletts. Sie spielen bei nahezu allen zellulären Prozessen eine Rolle und verleihen einer ansonsten amorphen Zelle strukturelle Stabilität und Form. Sie sind die Hauptkomponenten in einer vernetzten intrazellulären „Autobahn”, wodurch jede Art von zellulärer Fracht über ein belebtes Netzwerk molekularer Motorproteine geleitet werden kann. Während der Mitose liefert die Kontraktion der Mikrotubuli, die sich auf eine der beiden Mitosespindeln konzentriert, die notwendige Kraft, um die Chromosomen zu teilen.
Die sich ständig ändernden zelluläre Mikroumgebung erfordert Anpassungsfähigkeit, insbesondere bei der Entwicklung. Mikrotubuli und andere Zytoskelettkomponenten erleichtern diese Anpassungsfähigkeit aufgrund ihrer polymeren Struktur. Die Grundeinheit des Mikrotubulus ist ein Tubulin-Dimer, der sich aus einer alpha-Tubulin-Untereinheit und einer entsprechenden beta-Tubulin-Untereinheit zusammensetzt. Diese Dimere polymerisieren, um eine hohle, röhrenförmige Struktur von etwa 24 nm Breite zu bilden. Der natürliche Zustand eines nicht modifizierten Tubulins verändert sich permanent mit einer nahezu gleichen Polymerisations- und Depolymerisationsgeschwindigkeit.
Verschiedene, häufig vorkommende GTPase-Familien wie Rac und Rho fördern indirekt den Aufbau von Mikrotubuli, indem sie den GDP/GTP-Austausch über die Tubulin-Dimere erleichtern. Andere Mikrotubuli-Stabilisatoren gehen direkter vor. Mikrotubuli-assoziierte Proteine wie MAP1, MAP2, MAP4 oder MAPtau binden polymerisierte Mikrotubuli und stabilisieren die polymerisierte Form, indem sie den Aufbau und Wachstum der Mikrotubuli fördern. Die meisten MAPs werden durch Phosphorylierung aktiviert, und MAPK (MAP-Kinase)-Phosphorylierungskaskaden bieten während des Aufbaus von Mikrotubuli eine zusätzliche Kontrollinstanz. Umgekehrt haben Zellen verschiedene Möglichkeiten, den Abbau von Mikrotubuli zu regulieren. Direkte Methoden zur Förderung des Abbaus umfassen Komponenten wie Stathmin, das α- und β-Tubulin-Dimere bindet und sie an einer Polymerisation hindert. Mikrotubuli-trennende Enzyme wie Katanin können Mikrotubuli in der Mitte ihrer Struktur brechen, während hingegen Kinsesin I Familienmitglieder, wie beispielsweise KIF2, entlang der Mikrotubuli wandern und ein „Ausfransen“ und eine Depolymerisation fördern.
