Mikrotubuli (MTs) sind längliche röhrenförmige Strukturen, die aus Protofilamenten bestehen, die aus α/β-Tubulin-Heterodimer-Untereinheiten bestehen. Sie spielen eine wesentliche Rolle bei verschiedenen zellulären Prozessen wie Zellteilung, Motilität, Formerhaltung und intrazellulärem Transport und sind damit integrale Bestandteile des eukaryotischen Zytoskeletts1. Das Minus-Ende von MTs, bei dem die α-Tubulin-Untereinheit exponiert ist, ist relativ stabil, während das Plus-Ende, bei dem die β-Tubulin-Untereinheit exponiert ist, eine dynamische Depolymerisation und Polymerisation erfährt2. Dieser kontinuierliche Zyklus der Tubulin-Dimer-Addition und -Dissoziation am Plus-Ende, der als dynamische Instabilität bezeichnet wird, führt zu einem sich wiederholenden Prozess der Rettung und Katastrophe3. MTs weisen fokale Domänen mit lokalisierten Variationen der dynamischen Instabilität auf, einschließlich stabiler und labiler Domänen4.
Die präzise Kontrolle der dynamischen Instabilität von MTs ist entscheidend für zahlreiche zelluläre Funktionen, insbesondere in Neuronen, die durch komplizierte Morphologien gekennzeichnet sind. Die Anpassungsfähigkeit und Haltbarkeit von MTs spielen eine entscheidende Rolle für die Entwicklung und das reibungslose Funktionieren von Nervenzellen 5,6,7. Es wurde festgestellt, dass die dynamische Instabilität von MTs mit verschiedenen posttranslationalen Modifikationen (PTMs) von Tubulin verbunden ist, wie z. B. Acetylierung, Phosphorylierung, Palmitoylierung, Detyrosinierung, Delta 2, Polyglutaminoxidation und Polyglycylierung. Darüber hinaus dient die Bindung von Mikrotubuli-assoziierten Proteinen (MAPs) als Regulationsmechanismus8. PTMs, mit Ausnahme der Acetylierung, treten überwiegend in der Tubulin-Carboxy-terminalen Region auf, die sich auf der äußeren Oberfläche von MTs befindet. Diese Modifikationen erzeugen unterschiedliche Oberflächenbedingungen auf MTs, beeinflussen deren Wechselwirkung mit MAPs und steuern letztendlich die MT-Stabilität9. Das Vorhandensein eines carboxyterminalen Tyrosinrests in α-Tubulin ist ein Hinweis auf dynamische MTs, die schnell durch den freien Tubulinpool ersetzt werden. Umgekehrt bedeuten die Detyrosinierung des Carboxy-Terminus und die Acetylierung von Lys40 stabile MTs mit reduzierter dynamischer Instabilität 9,10.
Die PTMs von Tubulin wurden in großem Umfang in Experimenten eingesetzt, um die Dynamik und Stabilität von MTs 5,7,11,12,13,14,15 zu bewerten. Zum Beispiel können Tubuline in Zellkulturstudien in zwei Pools unterteilt werden: den freien Tubulin-Pool und den MT-Pool. Dies wird erreicht, indem freies Tubulin durch Zellpermeabilisierung freigesetzt wird, bevor die verbleibenden MTs 15,16,17,18,19 fixiert werden. Biochemische Methoden beinhalten die Verwendung chemischer MT-Stabilisatoren, die MTs vor Katastrophen schützen und die Trennung von MTs und freiem Tubulin durch Zentrifugation ermöglichen20,21,22. Diese Verfahren unterscheiden jedoch nicht zwischen stabilen und weniger stabilen (labilen) MTs, wodurch es unmöglich ist, MTs oder lösliches Tubulin in Geweben wie dem Gehirn zu quantifizieren. Folglich hat sich die Bewertung der MT-Stabilität in Organismen unter physiologischen und pathologischen Bedingungen als schwierig erwiesen. Um diese experimentelle Einschränkung zu adressieren, haben wir eine neuartige Technik zur präzisen Trennung von MTs und freiem Tubulin in Mausgewebe entwickelt23.
Diese einzigartige MT-Fraktionierungsmethode beinhaltet die Homogenisierung von Gewebe unter Bedingungen, die den Tubulinstatus im Gewebe aufrechterhalten, und die zweistufige Zentrifugation zur Trennung stabiler MTs, labiler MTs und freiem Tubulin. Dieses einfache Verfahren kann auf breit angelegte Studien angewendet werden, einschließlich Grundlagenforschung zu MTs und MAPs in lebenden Organismen, physiologische und pathologische Analysen von Gesundheit und Krankheiten, die mit der MT-Stabilität verbunden sind, sowie die Entwicklung von Medikamenten und anderen Therapeutika, die auf MTs abzielen.